微芯片：從構(gòu)想到現(xiàn)實(shí)的工程創(chuàng)新思維

從無(wú)線(xiàn)電到晶體管

杰克·圣克萊爾·基爾比出生于密蘇里州杰斐遜。1927年，出于父親工作的需要，基爾比一家搬到了堪薩斯州的薩萊納。1937年，一場(chǎng)暴風(fēng)雪摧毀了附近的電線(xiàn)，他父親在業(yè)余無(wú)線(xiàn)電操作者的幫助下聯(lián)系上了電力公司的工作人員，基爾比在雪地里一直跟著他們。這件事引起了基爾比對(duì)電子產(chǎn)品的興趣。1941年，基爾比從大本德高中畢業(yè)，于秋天被伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校的電氣工程專(zhuān)業(yè)錄取，并于1947年取得學(xué)士學(xué)位。

此后，基爾比加入了全球聯(lián)盟公司，在威斯康星州密爾沃基的研究分部中央實(shí)驗(yàn)室工作。這個(gè)公司主要制造助聽(tīng)器以及無(wú)線(xiàn)電、新媒體電視用的電子器件。助聽(tīng)器需要極小的電路，而中央實(shí)驗(yàn)室在真空管電路的微型化方面處于領(lǐng)先地位。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一種方法實(shí)現(xiàn)了電路的“絲印”連接，即在金屬線(xiàn)的位置給陶瓷底座涂上銀導(dǎo)線(xiàn)，但該實(shí)驗(yàn)室仍然無(wú)法大幅壓縮真空管的體積。

1952年，貝爾實(shí)驗(yàn)室邀請(qǐng)中央實(shí)驗(yàn)室與其他公司工程師參加一場(chǎng)晶體管研討會(huì)，基爾比參會(huì)后，將工作重心從真空管轉(zhuǎn)移到了晶體管上。他很快了解了如何提純硅和鍺，并成為晶體管制造與電路設(shè)計(jì)專(zhuān)家。1958年，受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響，基爾比離開(kāi)了中央實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始進(jìn)入德州儀器公司工作。

出生于愛(ài)荷華州伯靈頓市的羅伯特·諾伊斯和基爾比一樣，很早就對(duì)無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)生了興趣。1949年，羅伯特·諾伊斯在格林內(nèi)爾學(xué)院完成了數(shù)學(xué)和物理的雙專(zhuān)業(yè)課程，順利畢業(yè)。當(dāng)諾伊斯從朋友那里得知了貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管之后，便被這個(gè)設(shè)備迷住了，于是決定申請(qǐng)麻省理工學(xué)院研讀固態(tài)物理。

諾伊斯對(duì)電子學(xué)中的自然現(xiàn)象非常感興趣，他想將這些知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。1953年，在諾伊斯取得物理學(xué)博士學(xué)位后，他進(jìn)入了費(fèi)城的電子器件制造公司飛歌（Philco）工作，在那里他改良了公司設(shè)計(jì)的一種新晶體管。然而接下來(lái)的兩年里，飛歌的生產(chǎn)速度很慢，經(jīng)營(yíng)上的困難阻礙了新的研究。

此后一段時(shí)間諾伊斯曾在肖克利的貝爾實(shí)驗(yàn)室中工作，但因觀(guān)念不合，1957年秋天離開(kāi)了肖克利的團(tuán)隊(duì)。此后在投資人謝爾曼·費(fèi)爾柴爾德（Sherman Fairchild）的資助下，諾伊斯與另外7名研究者創(chuàng)建了仙童半導(dǎo)體公司，諾伊斯任這家新公司的研究總監(jiān)。

微模塊與分子電子學(xué)

20世紀(jì)50年代末，電子產(chǎn)品的發(fā)展面臨著越來(lái)越大的不確定性。晶體管開(kāi)始作為放大器被用于收音機(jī)、助聽(tīng)器等消費(fèi)類(lèi)設(shè)備，即將在電子計(jì)算機(jī)中取代真空管作為開(kāi)關(guān)。然而，曾于1948年在貝爾實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)晶體管開(kāi)發(fā)的杰克·莫頓（Jack Morton）在10年后發(fā)現(xiàn)，電子器件正面臨著“數(shù)字暴政”問(wèn)題，需要將越來(lái)越多的元件集成在工作設(shè)備的狹小空間里，但能封裝和手工連接的獨(dú)立元件數(shù)量是有物理限制的。莫頓認(rèn)為用晶體管代替真空管已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但實(shí)際上晶體管同樣面臨著“數(shù)字暴政”問(wèn)題的困擾。盡管晶體管電路體積可以壓縮到比真空管電路更小，但仍然必須手工組裝，因此電路部件制造與互聯(lián)仍然難以在一定尺度以下的空間進(jìn)行。

解決微型化難題對(duì)美國(guó)陸軍來(lái)說(shuō)尤為急迫。20世紀(jì)50年代初，美國(guó)海軍曾進(jìn)行“修補(bǔ)匠計(jì)劃”項(xiàng)目，試圖對(duì)真空管組件中的一些電路進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而在緊急情況下更快地完成組裝。1958年3月，美國(guó)陸軍進(jìn)一步拓展了這個(gè)想法，負(fù)責(zé)陸軍通信的通信部隊(duì)與領(lǐng)軍電子器件公司RCA（美國(guó)無(wú)線(xiàn)電公司）簽訂了“微模塊”開(kāi)發(fā)合同。微模塊是晶圓上的一小疊晶體管電路，在戰(zhàn)場(chǎng)上能很方便地進(jìn)行安裝或更換，可以用于軍隊(duì)需要的堅(jiān)固耐用、易于維護(hù)的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備和便攜式計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)RCA公司得到了2500萬(wàn)美元的資助，項(xiàng)目在接下來(lái)五年里取得了穩(wěn)定進(jìn)展，但微模塊還是沒(méi)有克服微型化的難題，其在1964年投入使用時(shí)就已經(jīng)過(guò)時(shí)了。

美國(guó)空軍處理“數(shù)字暴政”問(wèn)題的方法則更加激進(jìn)。1956年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家亞瑟·馮·希佩爾（Arthur von Hippel）提出在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上已經(jīng)難以改進(jìn)電子元件，只有在分子層面創(chuàng)造新的材料，才能簡(jiǎn)化設(shè)備制造過(guò)程。這一觀(guān)點(diǎn)促使美國(guó)空軍在1959年向另一家領(lǐng)先電氣公司西屋電氣資助了700萬(wàn)美元，試圖通過(guò)該公司稱(chēng)為“分子電子學(xué)”的方法實(shí)現(xiàn)微型化。但由于技術(shù)限制，仍無(wú)果而終。分子電子學(xué)的故事反映了一種“二戰(zhàn)”后的觀(guān)念，那就是新科學(xué)總能轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程成果。

1952年，英國(guó)皇家雷達(dá)研究所的工程師杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）給出了一種更加務(wù)實(shí)的想法，他提出用一個(gè)半導(dǎo)體塊的不同部分來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。雖然杜默沒(méi)能基于這個(gè)思想造出一臺(tái)可行的設(shè)備，但后來(lái)杰克·基爾比認(rèn)為他的這一想法已經(jīng)有了固體電路的雛形，這比基爾比自己研究微型化電子器件還早了6年。

單片電路構(gòu)想

德州儀器公司成立于20世紀(jì)30年代?！岸?zhàn)”期間，美國(guó)海軍航空電子領(lǐng)域的負(fù)責(zé)人帕特里克·哈格提（Patrick Haggerty）加入了這家公司，幫助它競(jìng)爭(zhēng)軍用電子設(shè)備合同。一年后，哈格提從貝爾系統(tǒng)獲得了晶體管制造許可證。1953年，哈格提說(shuō)服貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室的戈登·蒂爾加入德州儀器公司。蒂爾當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)明了一種提純鍺的方法，能提升鍺在晶體管中的使用效率。1954年，他又在德州儀器公司開(kāi)發(fā)出一種硅晶體管，硅的制造難度比鍺高，但具有更強(qiáng)的可靠性。

1958年5月，基爾比加入了德州儀器公司，此時(shí)RCA公司已經(jīng)請(qǐng)德州儀器公司共同參與美軍的微型模塊項(xiàng)目，基爾比也參與這個(gè)項(xiàng)目。然而私下里，基爾比認(rèn)為微型模塊不能解決電路微型化的問(wèn)題，所以對(duì)其持反對(duì)態(tài)度，不過(guò)他很快就有機(jī)會(huì)來(lái)深入思考其他選擇了。1958年7月，德州儀器的大部分員工都外出度假了，而基爾比作為一名新員工還沒(méi)有獲得假期，所以形單影只的他在公司待了兩個(gè)星期。他后來(lái)寫(xiě)道：“只留思緒與想象力與我為伴。”為了避免參與微模塊工作，同時(shí)為解決更深層的問(wèn)題，基爾比開(kāi)始重新設(shè)計(jì)基本電路。

20世紀(jì)50年代，電子器件產(chǎn)業(yè)的大部分公司都承接著軍工合同，生產(chǎn)的關(guān)鍵在于質(zhì)量而非成本。但基爾比在一家消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備公司工作了十年，那里將產(chǎn)品的制造成本也看得至關(guān)重要。因此，他加入德州儀器公司后，想找到一種既經(jīng)濟(jì)又高效的解決方案?；鶢柋鹊男聳|家是半導(dǎo)體元件的領(lǐng)先制造商，因此也很清楚降低半導(dǎo)體的使用成本能讓公司獲益良多。

德州儀器公司那時(shí)已發(fā)明了硅晶體管，也具備鍺晶體管的制造能力。基爾比知道硅或鍺也可以用來(lái)制造電阻和電容器等電路部件，但對(duì)其他部件來(lái)說(shuō)這兩種材料并不是最合適的，因此電子設(shè)備制造商一般會(huì)選擇其他材料?；鶢柋仍缴钊氲厮伎迹驮揭庾R(shí)到互聯(lián)問(wèn)題的根源就在于需要連接不同材料制成的部件，如果所有部件都用同樣材料制成就可以消除這一問(wèn)題。

1958年7月24日，基爾比在實(shí)驗(yàn)室筆記中寫(xiě)道：“在一個(gè)硅片上制造電阻器、電容器、晶體管和二極管，就可以實(shí)現(xiàn)許多電路的極致微型化。”基爾比概述了如何將硅片不同區(qū)域摻雜為n型或p型材料，從而形成芯片上的不同電路元件。這種使用一塊普通基板制造電路部件的想法被他稱(chēng)為“單片電路構(gòu)想”。

等公司其他人復(fù)工后，基爾比向其主管陳述了自己的想法，后者批準(zhǔn)他繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；鶢柋仍趯?shí)驗(yàn)中使用了硅晶體管，并親自制造了硅電阻和電容器，證明了這些部件連接組成的電路可以運(yùn)轉(zhuǎn)。下一步就是在同一塊半導(dǎo)體材料上制作電路，材料表面不同的區(qū)域被加工為不同的電路部件。當(dāng)時(shí)公司沒(méi)有基爾比需要的硅，因此他在一個(gè)鍺片上做了一個(gè)電路。

圖 ?杰克·基爾比設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)性單片電路

1958年9月12日，基爾比在德州儀器公司的高級(jí)經(jīng)理面前啟動(dòng)了這個(gè)裝置，用他的電路把直流電變成了交流電。一星期后，他又做出了一個(gè)可以作為開(kāi)關(guān)的電路。經(jīng)過(guò)秋冬兩季的試驗(yàn)，他成功地用硅制造出了這些電路。這一成果成為20世紀(jì)中葉繼晶體管之后的第二次重大電子技術(shù)突破。

從平面工藝到集成電路

杰克·基爾比證明可以在半導(dǎo)體材料的單片上制造出電子電路的不同元件，但由于需要盡快為這個(gè)想法申請(qǐng)專(zhuān)利，基爾比來(lái)不及進(jìn)一步完善?；鶢柋仍?959年2月6日提出專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)列舉的例子中仍然使用著導(dǎo)線(xiàn)，盡管他在聲明中指出它們可以為金屬線(xiàn)或“連接線(xiàn)”所替代。羅伯特·諾伊斯則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善，并進(jìn)一步研制出了在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上制造無(wú)導(dǎo)線(xiàn)電路的方法，他與基爾比的研究掃清了電路微型化的障礙。

作者： [ 美] 小戴維·P·比林頓。出版： 中國(guó)出版集團(tuán) 中譯出版社

1957年年底，諾伊斯和仙童半導(dǎo)體公司的其他7位創(chuàng)始人從IBM那里贏得了一份合同。這份合同是為美國(guó)空軍的一種新型機(jī)載計(jì)算機(jī)制造硅晶體管，合同要求這種晶體管必須具備其他公司難以達(dá)到的特殊性能。諾伊斯胸有成竹，表示保證能完成任務(wù)。仙童公司組成了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)：第一個(gè)團(tuán)隊(duì)由戈登·摩爾領(lǐng)導(dǎo)，試圖制造具有p型基極的結(jié)型晶體管;另一個(gè)團(tuán)隊(duì)由瓊·赫爾尼領(lǐng)導(dǎo)，試圖制造具有n型基極的晶體管。摩爾的團(tuán)隊(duì)最先制造出了晶體管。于是，仙童公司在1958年夏天前交付了合同要求的100個(gè)晶體管。

然而在執(zhí)行合同時(shí)，仙童公司的創(chuàng)始人遇到了一個(gè)困擾著當(dāng)時(shí)所有晶體管制造商的問(wèn)題：在生產(chǎn)過(guò)程中，絕大部分晶體管都遭到了灰塵等細(xì)顆粒污染物的破壞而無(wú)法正常使用。瓊·赫爾尼及其團(tuán)隊(duì)在輸?shù)糁圃煨戮w管的競(jìng)爭(zhēng)后，開(kāi)始思考如何解決這個(gè)問(wèn)題。1955年，貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種制造晶體管的新方法，即在半導(dǎo)體表面鋪上一層二氧化硅薄膜。通過(guò)薄膜上的開(kāi)口擴(kuò)散待摻雜的元素，從而在下方形成n型和p型半導(dǎo)體區(qū)域，同時(shí)薄膜還能保護(hù)材料免受溫度升高的影響。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的晶體管制造商們認(rèn)為二氧化硅也是一種潛在的污染物，一旦不再需要就會(huì)被腐蝕掉。但赫爾尼突然想到，也許留著這種二氧化硅薄膜更能保護(hù)晶體管并改善其性能。很快，實(shí)驗(yàn)證明保留二氧化硅層能提升晶體管的可靠性。除了保留薄膜，赫爾尼還重新設(shè)計(jì)了晶體管，將發(fā)射極、基極和集電極集成在同一個(gè)鍍了二氧化硅層的平面上，從而創(chuàng)造出一種更實(shí)用的裝置，可以用機(jī)器通過(guò)類(lèi)似印刷的方式連接電路。赫爾尼將其命名為平面工藝。仙童公司很快就采用這種方法開(kāi)始制造晶體管。

仙童公司的律師曾詢(xún)問(wèn)諾伊斯平面工藝是否能夠拓展到晶體管制造以外的業(yè)務(wù)，由此諾伊斯意識(shí)到，如果能用平面工藝在鍍了氧化層的半導(dǎo)體材料表面上制造出一個(gè)完整電路，那么平面工藝可能將引導(dǎo)他們?nèi)〉酶卮蟮耐黄啤?959年1月23日，諾伊斯在他的實(shí)驗(yàn)室筆記上寫(xiě)道：“這種工藝有諸多應(yīng)用，其中非常有價(jià)值的一種就是在一片硅上制造多個(gè)器件，從而在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)器件之間的互連，進(jìn)而減小每個(gè)有源元件的尺寸、重量和成本等?！敝Z伊斯還簡(jiǎn)要記述了以下情況，即鋁導(dǎo)線(xiàn)鋪在二氧化硅層上不但不會(huì)影響下面的硅，同時(shí)還可以通過(guò)連接線(xiàn)和層中的小開(kāi)口實(shí)現(xiàn)芯片上電路部件的互聯(lián)。利用平面工藝，機(jī)器能得以在硅芯片上制造出人工組裝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的微型電路。仙童公司由杰伊·拉斯特（Jay Last）帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)克服了工程層面的挑戰(zhàn)，并在1961年組裝出了一個(gè)能運(yùn)行的版本。

基爾比設(shè)想了一種用單個(gè)半導(dǎo)體制造的完整電路，并進(jìn)行了實(shí)物演示。諾伊斯則是提出了一種新的互聯(lián)方法，即平面工藝，用這種方法可以在芯片上制造完整的電路并進(jìn)行互連。將基爾比和諾伊斯的想法結(jié)合，就誕生了一種新的裝置——集成電路（即微芯片）。

回顧晶體管與集成電路的誕生之路，可以看到晶體管是結(jié)合了工程目標(biāo)、半導(dǎo)體（硅）提純技術(shù)進(jìn)展與新科學(xué)研究的產(chǎn)物。而集成電路則是不同工程思想的碰撞結(jié)合，即單一材料的使用與平面工藝。雖然為了實(shí)現(xiàn)這一創(chuàng)新發(fā)明，基爾比和諾伊斯必須了解與半導(dǎo)體相關(guān)的物理知識(shí)，但他們不需要借助新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)就能造出微芯片。微芯片的問(wèn)世，解決了分立式晶體管誕生十年后就遇到的微型化問(wèn)題，并最終成為一種基礎(chǔ)電子元件。