第0章--納米信息材料與器件的進展

1、電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1 1納米電子信息材料與集成器件的納米電子信息材料與集成器件的進展進展 張懷武張懷武 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2 2目目 錄錄 一一. .電子信息材料的變革電子信息材料的變革 二二. .信息存儲技術變革信息存儲技術變革 三三. .電子材料與器件變革電子材料與器件變革-LTCC -LTCC 四四. . 材料芯片材料芯片 五五. .納米晶芯材與集成薄膜器件納米晶芯材與集成薄膜器件電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3 3

2、 一一. .電子信息材料的變革電子信息材料的變革電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4 4電子信息技術的變革電子信息技術的變革我們的信息時代我們的信息時代 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展 因特網的發(fā)展因特網的發(fā)展 物聯(lián)網的發(fā)展物聯(lián)網的發(fā)展 數字家電的發(fā)展數字家電的發(fā)展 衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展 現(xiàn)代軍事的發(fā)展現(xiàn)代軍事的發(fā)展0 010102020303040405050606070708080909020002000 20012001 20022002 20032003 20042004 20052005計算機計算機上網上網數字家電數字家電電子科技大學電子科技大

3、學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5 5 一、集成電路發(fā)展簡史一、集成電路發(fā)展簡史 58年，鍺年，鍺 IC 59年，硅年，硅 IC 61年，年，SSI（10 100 個元件個元件/ /芯片），芯片），RTL 62年，年，MOS IC ，TTL ，ECL 63年，年，CMOS IC 64年，線性年，線性 IC 加工尺度：微米加工尺度：微米 納米。納米。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6 6 65年，年，MSI （100 3000個元件個元件/ /芯片）芯片） 69年，年，CCD 70年，年，LSI （3000 10萬個元件萬個元件/ /芯片

4、），芯片），1K DRAM 71年，年，8位位 MPU IC ， 4004 72年，年，4K DRAM ，I2L IC 77年，年，VLSI（10萬萬 300萬個元件萬個元件/ /芯片），芯片），64K DRAM ， 16位位 MPU 80年，年，256K DRAM ，2 m 84年，年，1M DRAM ，1 m 85年，年，32位位 MPU ，M68020 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7 7 86年，年，ULSI（300萬萬 10億個元件億個元件/ /芯片），芯片）， 4M DRAM ( 8106, 91mm2, 0.8 m, 150 mm ) ，

5、 于于89年開始商業(yè)化生產，年開始商業(yè)化生產，95年達到生產頂峰。主要工年達到生產頂峰。主要工 藝技術：藝技術：g 線（線（436nm）步進光刻機、）步進光刻機、1：10 投影曝光、投影曝光、 負性膠負性膠 正性膠、各向異性干法腐蝕、正性膠、各向異性干法腐蝕、LOCOS元件元件 隔離技術、隔離技術、LDD結構、淺結注入、薄柵絕緣層、多晶結構、淺結注入、薄柵絕緣層、多晶 硅或難熔金屬硅化物、多層薄膜工藝等。硅或難熔金屬硅化物、多層薄膜工藝等。 88年，年，16M DRAM（3107, 135 mm2, 0.5 m, 200 mm），）， 于于92年開始商業(yè)化生產，年開始商業(yè)化生產，97 年達到生

6、產頂峰。主要年達到生產頂峰。主要 工藝技術：工藝技術：i 線（線（365nm）步進光刻機、選擇）步進光刻機、選擇CVD工藝、工藝、 多晶硅化物、難熔金屬硅化物多層布線、接觸埋入、多晶硅化物、難熔金屬硅化物多層布線、接觸埋入、 化學機械拋光（化學機械拋光（CMP）工藝等。）工藝等。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學8 8 91年，年， 64M DRAM（1.4108, 198 mm2, 0.35 m, 200 mm），）， 于于94年開始商業(yè)化生產，年開始商業(yè)化生產，99年達到生產頂峰。主要年達到生產頂峰。主要 工藝技術：工藝技術： i 線步進光刻機、相移掩

7、模技術、低溫平線步進光刻機、相移掩模技術、低溫平 面化工藝、全干法低損傷刻蝕、加大存儲電容工藝、面化工藝、全干法低損傷刻蝕、加大存儲電容工藝、 增強型隔離、增強型隔離、RTP/ /RTA工藝、高性能淺結、工藝、高性能淺結、CMP 工藝、生產現(xiàn)場粒子監(jiān)控工藝等。工藝、生產現(xiàn)場粒子監(jiān)控工藝等。 92年，年， 256M DRAM（5.6108, 400 mm2, 0.25 m, 200 mm） ， 于于98年開始商業(yè)化生產，年開始商業(yè)化生產，2002年達到生產頂峰。年達到生產頂峰。 主要工藝技術：準分子激光（主要工藝技術：準分子激光（248 nm）步進光刻機、）步進光刻機、 相移掩模技術、無機真空兼

8、容全干法光刻膠、相移掩模技術、無機真空兼容全干法光刻膠、 10億個元件億個元件/ /芯片），芯片）， 1 G DRAM（2.2109, 700 mm2, 0.18 m, 200 mm） ， 2000年開始商業(yè)化生產，年開始商業(yè)化生產，2004年達到生產頂峰。年達到生產頂峰。 主要工藝技術：主要工藝技術：X 射線光刻機、超淺結（射線光刻機、超淺結（0.05 m）、）、 高介電常數鐵電介質工藝、高介電常數鐵電介質工藝、SiC 異質結工藝、現(xiàn)場異質結工藝、現(xiàn)場 真空連接工藝、實時控制工藝的全面自動化等。真空連接工藝、實時控制工藝的全面自動化等。 97年，年， 4 G DRAM （8.8109, 98

9、6 mm2, 0.13 m, 300 mm），）， 2003年進入商業(yè)化生產。年進入商業(yè)化生產。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1010集成電路的發(fā)展規(guī)律集成電路的發(fā)展規(guī)律 Intel 公司的創(chuàng)始人摩爾于公司的創(chuàng)始人摩爾于1975 年總結出了年總結出了 IC 工業(yè)發(fā)展的工業(yè)發(fā)展的一個重要規(guī)律，即一個重要規(guī)律，即 摩爾定律：摩爾定律：IC 的集成度將每年翻一番。的集成度將每年翻一番。 1980 年摩爾定律被修改為：年摩爾定律被修改為： IC 的集成度每的集成度每1.5年翻一番，年翻一番，即每即每3年乘以年乘以4。 IC 發(fā)展的另一些規(guī)律為：發(fā)展的另一些規(guī)律

10、為： 建立一個芯片廠的造價也是每建立一個芯片廠的造價也是每3年乘以年乘以4。 線條寬度每線條寬度每 6 年下降一半。年下降一半。 芯片上每個器件的價格每年下降芯片上每個器件的價格每年下降 30% 40% 。 晶片直徑的變化：晶片直徑的變化： 60年：年：0.5英寸，英寸， 65年：年：1英寸，英寸， 70年：年：2英寸，英寸， 75年：年：3英寸，英寸， 80年：年：4英寸，英寸， 90年：年：6英寸，英寸， 95年：年：8英寸（英寸（200 mm ），）， 2000年：年：12英寸（英寸（300 mm）。）。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學11 11

11、集成電路的發(fā)展展望集成電路的發(fā)展展望 目標：集成度目標：集成度 、可靠性、可靠性 、速度、速度 、功耗、功耗 、成本、成本 。 努力方向：線寬努力方向：線寬 、晶片直徑、晶片直徑 、設計技術、設計技術 。 1992 1995 1998 2001 2004 2007比特/ 芯片 16 M 64 M 256 M 1 G 4 G 16 G特征尺寸（ m） 0.5 0.5 0.35 0.35 0.25 0.25 0.18 0.18 0.12 0.12 0.07 0.07晶片直徑（mm） 200 200 200 200 200 - 400200 - 400200-400200-400200- 40020

12、0- 400200 -400200 -400美國美國1992 2007 年半導體技術發(fā)展規(guī)劃年半導體技術發(fā)展規(guī)劃電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1212美國美國1997 - 2012 1997 - 2012 年半導體技術發(fā)展規(guī)劃年半導體技術發(fā)展規(guī)劃 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 比特/ 芯片 256M 1G 4G 16G 64G 256G特征尺寸特征尺寸 mm） 0.25 0.18 0.15 0.13 0.1 0.07 0.05晶片直徑晶片直徑（mmmm） 200 300 300 300 300 450 450電子

13、科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1313 材料材料設計設計芯片制造芯片制造封裝封裝電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1414電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1515電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1616CrystalGrowthSlicingGraphite HeaterSi MeltSi CrystalPolishingWaferingHigh Temp.AnnealingFurnaceAnnealed WaferDefect FreeS

14、urface byAnnealing(Surface Improvement）Surface DefectMapPolished Wafer電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1717 橫向加工：圖形的產生與轉移（又稱為光刻，包括曝光、橫向加工：圖形的產生與轉移（又稱為光刻，包括曝光、 顯影、刻蝕等）。顯影、刻蝕等）。 縱向加工：薄膜制備（蒸發(fā)、濺射、氧化、縱向加工：薄膜制備（蒸發(fā)、濺射、氧化、CVD 等），等）， 摻雜（熱擴散、離子注入、中子嬗變等）。摻雜（熱擴散、離子注入、中子嬗變等）。 在大規(guī)模集成電路制造技術的發(fā)展過程中，光刻技術的作用約在大規(guī)模集成

15、電路制造技術的發(fā)展過程中，光刻技術的作用約占占2/ /3，其它技術約占，其它技術約占1/ /3 。本課程的課時分配大約也按照這一。本課程的課時分配大約也按照這一比例進行。比例進行。3.芯片制造芯片制造電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1818涂光刻膠（正）涂光刻膠（正）選擇曝光選擇曝光熱氧化熱氧化SiO2工藝流程舉例（制作工藝流程舉例（制作PN結）結）電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學1919去膠去膠摻雜摻雜顯影（第顯影（第1次圖形轉移）次圖形轉移）刻蝕（第刻蝕（第2次圖形轉移）次圖形轉移）NP電子科技大學電子科技大學

16、電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2020蒸發(fā)鍍蒸發(fā)鍍Al 膜膜光刻光刻Al 電極電極CVD 淀積淀積SiO2 膜膜光刻引線孔光刻引線孔電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2121 襯底制備襯底制備 一次氧化一次氧化 隱埋層光刻隱埋層光刻 隱埋隱埋層擴散層擴散 外延淀積外延淀積 熱氧化熱氧化 隔離光刻隔離光刻 隔隔離擴散離擴散 熱氧化熱氧化 基區(qū)光刻基區(qū)光刻 基區(qū)擴散基區(qū)擴散 再分布再分布及氧化及氧化 發(fā)射區(qū)光刻發(fā)射區(qū)光刻 （背面摻金）（背面摻金） 發(fā)射區(qū)擴發(fā)射區(qū)擴散散 再分布及氧化再分布及氧化 接觸孔光刻接觸孔光刻 鋁淀積鋁淀積 反反刻鋁刻鋁

17、 鋁合金鋁合金 淀積鈍化層淀積鈍化層 壓焊塊光刻壓焊塊光刻 中測中測 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2222二二. .半導體技術革命半導體技術革命電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2323 信息技術信息技術-半導體革命半導體革命 電子是電子是“電荷電荷”的載體，電子和空穴的輸運研的載體，電子和空穴的輸運研究引起究引起2020世紀電子學的一場革命世紀電子學的一場革命半導體晶體半導體晶體管產生！管產生！電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2424信息技術信息技術-晶體管革命晶體管革命

18、 電子同時是電子同時是“自旋自旋”的載體，自旋效應的載體，自旋效應和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)能否引起新世紀的一場革和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)能否引起新世紀的一場革命命產生自旋晶體管？產生自旋晶體管？ 答案是肯定的。可以從近期電子信息領答案是肯定的。可以從近期電子信息領域重大科學發(fā)現(xiàn)的三步曲予以證明域重大科學發(fā)現(xiàn)的三步曲予以證明：電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2525重大的科學發(fā)現(xiàn)之一重大的科學發(fā)現(xiàn)之一 計算機硬盤計算機硬盤自旋閥效應自旋閥效應 19881988年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)GMRGMR效應，效應，IBMIBM的自旋閥硬盤磁頭于的自旋閥硬盤磁頭于19961996年上市，目前計算機硬盤

19、容量達年上市，目前計算機硬盤容量達100GBit100GBit電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2626 重大的科學發(fā)現(xiàn)之二重大的科學發(fā)現(xiàn)之二 MRAMMRAM芯片芯片自旋隧道效應自旋隧道效應 20002000年以來，世界頂級公司和科研機構研發(fā)焦點是年以來，世界頂級公司和科研機構研發(fā)焦點是自旋型自旋型MRAMMRAM存貯芯片，目前已有存貯芯片，目前已有10M Bit10M Bit數碼相機數碼相機用存貯芯片上市，用存貯芯片上市，20042004年年100MBit100MBit預計上市預計上市. .電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電

20、子科技大學2727 重大的科學發(fā)現(xiàn)之三重大的科學發(fā)現(xiàn)之三 自旋晶體管自旋晶體管 自旋輸運效應自旋輸運效應 目前正在熱點研究，未來應用最廣泛，科學性最強，產生目前正在熱點研究，未來應用最廣泛，科學性最強，產生劃時代變革的頂尖研究主題；劃時代變革的頂尖研究主題； 將替代半導體晶體管，替代半導體開關器件，應用于未來將替代半導體晶體管，替代半導體開關器件，應用于未來的量子計算機、邏輯單元等領域的量子計算機、邏輯單元等領域。 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2828-自旋晶體管的優(yōu)點自旋晶體管的優(yōu)點自旋晶體管內在驅動力是基極的非平衡磁化，基極越薄，面積越小，晶體管

21、效應越強-“納米結”的引入集成度高，自旋載流子濃度大，速度快，非易失性，電阻率低，功耗小，線性I-V特性，抗電磁干擾. .電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學2929-自旋晶體管原理自旋晶體管原理eIPIBe1nMBenAdIEPPVeFss5 . 121電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3030-自旋晶體管模型自旋晶體管模型 “納米結納米結”物理模型物理模型納米結自旋晶體管納米結自旋晶體管 晶體管圖晶體管圖 納米結自旋晶體管納米結自旋晶體管電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3131

22、電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3232 是一種先進的混合電路封裝技術是一種先進的混合電路封裝技術它是將四大無源器件，即變壓器（它是將四大無源器件，即變壓器（T T）、電容器（）、電容器（C C）、）、電感器（電感器（L L）、電阻器（）、電阻器（R R）集成，配置于多層布線基）集成，配置于多層布線基板中，與有源器件如：功率板中，與有源器件如：功率MOSMOS、晶體管、晶體管、ICIC電路模電路模塊等）共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。塊等）共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。有效地提高電路的封裝密度及系統(tǒng)的可靠性 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子

23、科技大學電子科技大學3333LTCCLTCC技術的概念及其分類技術的概念及其分類The character of Thick Film、LTCC、HTCC technology電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3434LTCCLTCC技術的概念及其分類技術的概念及其分類LTCCLTCC技術的研究技術的研究 設 計 技 術 生磁料帶技術 混合集成技術 混合集成混合集成生磁料帶制造生磁料帶制造電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3535LTCCLTCC技術的概念及其分類技術的概念及其分類Cross-section of LT

24、CC multilayer device showing the individual components that can be integratedIndividual components that can be integrated in LTCC電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3636LTCCLTCC技術的概念及其分類技術的概念及其分類LTCC INDUCTOR LTCC BANDPASS FILTER 3D LAYOUTLTCC INDUCTOR have been used電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科

25、技大學3737LTCCLTCC技術的概念及其分類技術的概念及其分類LTCC substrate with integrated passivesConstruction of typical LTCC mutilayer deviceConstruction of typical LTCC mutilayer device電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3838AOB在雙性復合磁電材料原子團族設計方面進行了探在雙性復合磁電材料原子團族設計方面進行了探索，發(fā)現(xiàn)索，發(fā)現(xiàn)ABOABO3 3鈣鈦礦結構與鈣鈦礦結構與NiO-MnOFeONiO-MnOFeO復合可復

26、合可形成納米雙性（形成納米雙性（C,L)C,L)材料材料A.A.新理論新理論電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學3939106107108109024681012Permeability Frequency / Hz x=0.25 x=0.25 x=0.00 x=0.00 10610710810910203040506070Dielectric constant Frequency / Hz x=0.00 x=0.05 x=0.15 x=0.20 x=0.25B.新發(fā)現(xiàn)：新發(fā)現(xiàn)：不同不同母體母體的納米復合材料中，晶粒形狀不同，使材料性能的納米復合材料中，晶粒

27、形狀不同，使材料性能不同。不同。A5 SEMA5 SEM圖圖B5 SEMB5 SEM圖圖介電譜介電譜鐵磁譜鐵磁譜A-A-復合材料晶粒為片狀，復合材料晶粒為片狀，B-B-材料晶粒中有條形晶體。材料晶粒中有條形晶體。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4040 現(xiàn)象：介電常數介電常數隨復合量的增加而增大，隨復合量的增加而增大， 1MHz1MHz附近時，復合量為附近時，復合量為25wt25wt的的 比比0wt% 0wt% 大大6-76-7倍。倍。原因原因：鐵電材料與鐵磁材料復合時發(fā)生互替代化學反應，材料中鈦礦相與尖晶石相鐵電材料與鐵磁材料復合時發(fā)生互替代化學反應，

28、材料中鈦礦相與尖晶石相 共存，但共存，但Fe,Ni,ZnFe,Ni,Zn離子替代鈦礦相中離子替代鈦礦相中Ba,TiBa,Ti離子，相反離子，相反Ba,TiBa,Ti離子也參與替代離子也參與替代B.新發(fā)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)理論模擬理論模擬結果實驗測試結果電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4141設計出網絡設計出網絡RJ-45EMIRJ-45EMI濾波器組建，可應用于濾波器組建，可應用于ADSL, ADSL, LANLAN和和VDSLVDSL service internet provider 雙絞線 電話交換 局 寬 帶 變 壓 器 高 通 濾 波 器 低 通 濾 波

29、器 C entral office m odem 寬 帶 變 壓 器 高 通 濾 波 器 低 通 濾 波 器 H om e m odem A D SL芯 片 A D SL芯 片 C. C. 設計及應用設計及應用電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4242LTCCLTCC技術之國內外發(fā)展現(xiàn)狀技術之國內外發(fā)展現(xiàn)狀 僅以對低溫共燒片式電感器的需求為例 電子產品名稱電子產品名稱平均單機用量（只）平均單機用量（只）電子產品名稱電子產品名稱平均單機用量（只）平均單機用量（只）移動電話手持機移動電話手持機3030筆記本計算機筆記本計算機2424中文中文BPBP機機1010

30、硬盤驅動器硬盤驅動器8 8數字數字BPBP機機1010軟盤驅動器軟盤驅動器6 6錄像機錄像機2020程控交換機程控交換機2/2/線線傳真機傳真機4 4開關電源開關電源4 4無繩電話無繩電話1212超薄超薄WALKMANWALKMAN8 8大屏幕彩電機芯大屏幕彩電機芯4 4便攜式便攜式CDCD唱機唱機7 7DVDDVD和和VCDVCD1212數字電視（機頂蓋）數字電視（機頂蓋）4040攝錄一體機攝錄一體機3535其他其他2020國內需求情況國內需求情況電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4343電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科

31、技大學44441 1. .傳統(tǒng)的磁光記錄傳統(tǒng)的磁光記錄： 理論極限為理論極限為100Gbit/in100Gbit/in2 2，而應，而應 用領域需求將超過用領域需求將超過 1000Gbit/ in1000Gbit/ in2 22.2.隨機固態(tài)存儲領域：隨機固態(tài)存儲領域： FRAM,MARMFRAM,MARM替代傳統(tǒng)的替代傳統(tǒng)的RAM,SRAM,DRAMRAM,SRAM,DRAM和和FLASHIFLASHI3.3.磁光，光電存儲領域：磁光，光電存儲領域： 納米點陣存儲代替連續(xù)的數字存儲納米點陣存儲代替連續(xù)的數字存儲電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學45451

32、.信息存儲焦點問題信息存儲焦點問題 磁存儲記錄密度在不久的將來會達到由超順磁決定的理論極限（100Gbit/in2)電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4646一一2.解決的方法（續(xù)）解決的方法（續(xù)） 解決方法之一就是采用光磁混合超高密度記錄技術(石榴石MO-GMR可達到728Gbit/ in2 )電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學4747一一3.目前的材料狀況（續(xù)）目前的材料狀況（續(xù)） 目前尚沒有合適的混合記錄最佳介質，Areal Density -VS- Dynamic Coercivity0100200300400

33、50060070080057.51012.51517.520Dynamic Coercivity (kOe)Areal Density (Gbits/inch2)BA: 10 SNR: 23BA: 1 SNR: 23BA: 10 SNR: 16BA: 1 SNR: 16Longitudinal Head FieldsPerpendicular Head FieldsT.C Arnoldussen, M. Mirzamaani, M. Doerner, K. Tang, X. Bian, J. Feng and M. Gatherwright, “Correlation of thermal s

34、tability and signal-to-noise ratio of Thin film recording media”, IEEE Trans. Mag., Vol 36, pg 92 (2000)電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學48484.對材料的要求（續(xù)）對材料的要求（續(xù)） Bi代石榴石（Bi,Cu:DyIG)磁光記錄介質可能滿足混合記錄適合短波長記錄-大的記錄密度氧化物，化學穩(wěn)定性好-可抗毀傷成本低,有大的飽和磁距Ms-便于GMR磁頭讀可利用雙層或多層結構增強矯頑力信息碼穩(wěn)定激光調制寫利用納米分子掩膜可形成2030nm電子科技大學電子科技

35、大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學49495.目前的技術考慮（續(xù)）目前的技術考慮（續(xù)） 將光磁混合介質(Bi,Cu:DyIG)非連續(xù)化（patterned），可以進一步提高記錄密度-700GBit/in2, 3.5英寸盤可達 7 TBit容量。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學505025.特色與創(chuàng)新工作特色與創(chuàng)新工作 研究用于光磁混合記錄的耦合型雙層（或多層）石榴石磁光納米球薄膜新材料； 在此研究基礎上，擬采用納米球光刻技術制備亞微米/納米級石榴石磁光記錄薄膜單元，系統(tǒng)研究氧化物型磁性單元的基本特性。 電子科技大學電子科技大學電子科技大

36、學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5151 6.納米球掩膜研究電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5252第一步第一步 自旋自旋S-G方法鍍球膜方法鍍球膜 采用自旋鍍方法采用自旋鍍方法 應 用 甲 醇 稀 釋 聚 本 已 稀 ，應 用 甲 醇 稀 釋 聚 本 已 稀 ，10003000 rpm10003000 rpm， 繼續(xù)應用去離子水，甲醇和表繼續(xù)應用去離子水，甲醇和表面活化劑來稀釋聚本已稀，面活化劑來稀釋聚本已稀， 讓襯底斜讓襯底斜1010度蒸發(fā)度蒸發(fā) 應用去離子水來稀釋溶液應用去離子水來稀釋溶液 高壓噴灑自旋鍍來進行鍍制高壓噴灑自旋鍍來進行鍍制電子

37、科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5353第二步膜質量的控制第二步膜質量的控制 襯底表面必須應用襯底表面必須應用3 3：7 7的的H H2 2O :HO :H3 3SiOSiO4 4清洗清洗 為了形成均勻的納米球為了形成均勻的納米球掩摸，轉速必須調整掩摸，轉速必須調整 溶液的濃度必須調整到溶液的濃度必須調整到最佳位置最佳位置 稀釋的材料，稀釋的材料，PHPH值都要值都要調整調整電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5454第三步第三步 球孔的移動形成球孔的移動形成四羥基有機物熔解毛刺超聲5分鐘去離子水20秒第一步環(huán)型孔代替方型

38、孔收縮軟的球有利與孔形成電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5555第四步第四步 快速退火處理快速退火處理 快速退火處理在快速退火處理在200C200C 三角型收縮成環(huán)行三角型收縮成環(huán)行 退火在真空度退火在真空度1010-2-2 時間必須嚴格控制時間必須嚴格控制電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5656A.A.新理論：新理論：a.a. 建立了紫藍光域四能級量子躍遷模型，提建立了紫藍光域四能級量子躍遷模型，提出新一代磁光材料的法拉弟增強效應理論，出新一代磁光材料的法拉弟增強效應理論，尋找到最新紫藍光域材料及配方尋找到最新紫

39、藍光域材料及配方 BiBiy yDyDy3-y3-y- -FeFe5-x5-xAlAlx xO O1212，x=0.8-1.2x=0.8-1.2，y=1.0-1.96y=1.0-1.96 b.b. 提出層狀薄膜的疇動力學理論模型，解決提出層狀薄膜的疇動力學理論模型，解決了納米點陣存儲的信息疇穩(wěn)定難題了納米點陣存儲的信息疇穩(wěn)定難題c.c. 理論發(fā)現(xiàn)電磁脈沖對理論發(fā)現(xiàn)電磁脈沖對MODMOD的毀傷來源于反磁的毀傷來源于反磁化核形成化核形成-發(fā)現(xiàn)新材料發(fā)現(xiàn)新材料-“0”或或“1”位疇形成位疇形成-磁光盤的穩(wěn)定磁光盤的穩(wěn)定電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5757B

40、.新發(fā)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)- 紫紫- -藍光域的短波長新材料藍光域的短波長新材料電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5858B.新發(fā)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn) MOMO信息記錄分疇信息記錄分疇 - -與尺度和性能參數的規(guī)律與尺度和性能參數的規(guī)律 單元信息位疇單元信息位疇“0”0”或或“1”1”形成條件：形成條件： 臨界尺度臨界尺度30nm, 30nm, 矯頑力大于矯頑力大于3000Oe3000Oe 理論模擬的結果 磁力顯微鏡動態(tài)實驗結果 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學5959B .新發(fā)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn) MOD的毀傷機理的毀傷機理-電磁脈沖作用次數電磁脈沖

41、作用次數(b)5000個周期個周期(c) 10000個周期個周期 M(a)(a)初始態(tài)初始態(tài)100nm 實驗結果實驗結果 理論模擬結果理論模擬結果反磁化核的形成是反磁化核的形成是MOD毀傷的主要原因毀傷的主要原因 ，反磁化核，反磁化核的形成是在的形成是在50005000次反復次反復脈沖作用后形成的脈沖作用后形成的電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6060 電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6161D DR RA AM MS SR RA AM MF Fl la as sh hM MR RA AM M非非易易失失性性無無有

42、有寫寫 時時 間間50 ns10 ns100 ns10-20 ns讀讀 時時 間間50 ns10 ns50 ns10-20 ns低低 電電 壓壓有限制是否是重重復復次次數數1015101510121015單單元元尺尺寸寸小大小小 MRAMMRAM不僅具有不僅具有SRAMSRAM存取速度快、工作電壓低，存取速度快、工作電壓低，DRAMDRAM重復擦寫次數多重復擦寫次數多的優(yōu)點，而且具備的優(yōu)點，而且具備FLASHFLASH的非易失性，并且由于其自身結構的抗電磁干擾、的非易失性，并且由于其自身結構的抗電磁干擾、抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，將在近期和未來軍事信息領域發(fā)揮重大的抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，將

43、在近期和未來軍事信息領域發(fā)揮重大的作用。作用。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6262近期應用情況及應用前景分析近期應用情況及應用前景分析 應用工程應用工程具體系統(tǒng)具體系統(tǒng)提高性能情況提高性能情況國外軍事研制單位國外軍事研制單位“控制與探測”軍事移動通信彈、星機載動態(tài)隨存儲器芯片存儲容量從256Kbit增加到4Mbit，VMRAM可 增 加 到 極 限 容 量400Gbit/in2美國Honeywell公司美國NVE公司美國海軍實驗室航空航天單片控制固態(tài)存儲器替代flash替代SRAM替代DRAM存取時間從幾百納秒減到幾個納秒，容量可達到100Gbit/

44、in2美國莫托羅拉公司美國IBM公司比利時IMEC艦船及航母預警系統(tǒng)隨機固態(tài)存儲器信號處理系統(tǒng)固態(tài)存儲器導彈指令系統(tǒng)存儲器存取時間達到ns量級存取容量的單芯片達到4Mbit美國海軍研究實驗室日本防務廳韓國三星公司信息存儲分部衛(wèi)星通信并行數據處理隨機存儲器固態(tài)寄存移位器非易失隨機存儲器容量提高幾個數量級工藝簡單可行日本防務廳（東北大學信息所）計算機系統(tǒng)固態(tài)隨機存儲器固態(tài)移位寄存器容量大于4Mbit存取時間幾個納秒IBM公司匈牙利INESC電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6363MRAMMRAM單元的設計及制作工藝單元的設計及制作工藝: :Cu字線電流感線電

45、流NiFeNiFe位線傳感電流（讀模式）字線AlOxPSV PSV 單元單元MTJMTJ單元單元 通過深亞微米光刻技術、多掩膜工藝、等離子蝕刻，通過深亞微米光刻技術、多掩膜工藝、等離子蝕刻，制備制備PSVPSV和和MTJMTJ材料單元。并研究單元熱穩(wěn)定性、單元材料單元。并研究單元熱穩(wěn)定性、單元一致性、單元電阻率與偏壓等關系。一致性、單元電阻率與偏壓等關系。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6464芯片結構芯片結構 利用利用CMOSCMOS工藝，采用多掩膜、多次光刻工藝、實工藝，采用多掩膜、多次光刻工藝、實現(xiàn)輔助電路、字線、感線、位線的制作，采用高真空現(xiàn)輔助

46、電路、字線、感線、位線的制作，采用高真空濺射沉積工藝實現(xiàn)磁性層單元的制作，并利用半導體濺射沉積工藝實現(xiàn)磁性層單元的制作，并利用半導體的絕緣膜層工藝實現(xiàn)絕緣，最終完成的絕緣膜層工藝實現(xiàn)絕緣，最終完成MRAMMRAM芯片的制作芯片的制作。 MRAMMRAM材料芯片設計及制作材料芯片設計及制作電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6565電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6666電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6767電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學

47、68685.理論模型建立研究理論模型建立研究C-BC-B方法方法C-B理論的Sandwich模型（虛線是一個假想界面） -b -a 0 a bzEADBCZxyE電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學6969GMR理論模型建立理論模型建立微磁學模型微磁學模型1電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7070Micro-magnetic model for GMR elementGMR理論模型建立理論模型建立微磁學模型微磁學模型2電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7171五五. .納米晶芯材與

48、納米晶芯材與 集成薄膜器件集成薄膜器件電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7272BB新發(fā)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)納米芯材料的臨界阻抗效應為發(fā)現(xiàn)納米芯材料的臨界阻抗效應為10nm10nm，可從理論上設計出芯片料材的頻域?？蓮睦碚撋显O計出芯片料材的頻域。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7373感抗耦合理論，國際上已設計和研究感抗耦合理論，國際上已設計和研究出出SiSi上集成薄膜變壓器和電感器系列上集成薄膜變壓器和電感器系列 CC設計及應用設計及應用電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7474人工神

49、經元模型人工神經元模型njijijixwI1)(iiIfO iIieO11Sigmoid函數作為激發(fā)函數電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7575三層人工神經網絡結構圖三層人工神經網絡結構圖X1、X2、X3為輸入參數，Y1、Y2為輸出參數 為權值ijW電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7676給定W(1)、H1得整體誤差)()1(WE得梯度向量)()1(WE 確定)(k修正權值，得)1( kW得 ，達到精度？)()1( kWE得)()1( kWE停止YN反向傳播反向傳播正向傳播正向傳播計算 ，k=k+11kHK=1具體

50、算法流程圖電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7777BP算法基本思想算法基本思想 （1 1）先輸入）先輸入P P個個n n維的學習樣本維的學習樣本x x1 1,x,x2 2,x,xP P和和教師值教師值t t1 1,t,t2 2,，t tP P（2 2）根據網絡輸出）根據網絡輸出y y1 1,y,y2 2,y,yP P 與教師值與教師值t t1 1,t,t2 2,t,tP P的誤差，修改連接權值和閾值，的誤差，修改連接權值和閾值，使誤差變小。使誤差變小。電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7878I I型薄膜變壓器的簡化

51、理論模型型薄膜變壓器的簡化理論模型 磁路不閉合磁路不閉合 磁路閉合磁路閉合)1(1 /20sdmmmsNlNwtL2) 12(lnkkNdmmmtwlk2)2/(20mmmslNwtL電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學7979四陣列四陣列I型薄膜變壓器型薄膜變壓器結構圖結構圖電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學8080制作試樣的形貌圖制作試樣的形貌圖電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學8181薄膜變壓器制作工藝流程薄膜變壓器制作工藝流程基 片 清 洗 裝 架鍍 下 電 極鍍 絕 緣 層

52、鍍 磁 芯 層鍍 絕 緣 層鍍 上 電 極電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學電子科技大學8282磁芯對變壓器性能的影響磁芯對變壓器性能的影響 1)1)磁芯的薄膜變壓器磁芯的薄膜變壓器初次級電感均大于初次級電感均大于空心薄膜變壓器空心薄膜變壓器2)2)Q Q值大值大, Q, Q值隨頻率值隨頻率升高而增大升高而增大3 3）R R、 Z Z值變大值變大 0 .0 10 .111 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 C o lu m n a r F ilm T ra n s fo rm e r n1:n2= 3 :3 1# tm= 0 .2 u m 2# tm= 0Primary Inductor(nH)F re q u e n c y (M H z )0 .0 10 .111 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 C o lu m n a r F ilm T ra n s fo rm e r n1:n2= 3 :3 1#tm= 0 .2 u m 2#tm= 0Secondary Inductor(