微芯片：從構想到現實的工程創新思維

從無線電到晶體管

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，一場暴風雪摧毀了附近的電線，他父親在業余無線電操作者的幫助下聯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電子產品的興趣。1941年，基爾比從大本德高中畢業，于秋天被伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校的電氣工程專業錄取，并于1947年取得學士學位。

此后，基爾比加入了全球聯盟公司，在威斯康星州密爾沃基的研究分部中央實驗室工作。這個公司主要制造助聽器以及無線電、新媒體電視用的電子器件。助聽器需要極小的電路，而中央實驗室在真空管電路的微型化方面處于領先地位。這個實驗室設計的一種方法實現了電路的“絲印”連接，即在金屬線的位置給陶瓷底座涂上銀導線，但該實驗室仍然無法大幅壓縮真空管的體積。

1952年，貝爾實驗室邀請中央實驗室與其他公司工程師參加一場晶體管研討會，基爾比參會后，將工作重心從真空管轉移到了晶體管上。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計專家。1958年，受經濟形勢影響，基爾比離開了中央實驗室，開始進入德州儀器公司工作。

出生于愛荷華州伯靈頓市的羅伯特·諾伊斯和基爾比一樣，很早就對無線電產生了興趣。1949年，羅伯特·諾伊斯在格林內爾學院完成了數學和物理的雙專業課程，順利畢業。當諾伊斯從朋友那里得知了貝爾實驗室發明了晶體管之后，便被這個設備迷住了，于是決定申請麻省理工學院研讀固態物理。

諾伊斯對電子學中的自然現象非常感興趣，他想將這些知識轉化為實際應用。1953年，在諾伊斯取得物理學博士學位后，他進入了費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計的一種新晶體管。然而接下來的兩年里，飛歌的生產速度很慢，經營上的困難阻礙了新的研究。

此后一段時間諾伊斯曾在肖克利的貝爾實驗室中工作，但因觀念不合，1957年秋天離開了肖克利的團隊。此后在投資人謝爾曼·費爾柴爾德（Sherman Fairchild）的資助下，諾伊斯與另外7名研究者創建了仙童半導體公司，諾伊斯任這家新公司的研究總監。

微模塊與分子電子學

20世紀50年代末，電子產品的發展面臨著越來越大的不確定性。晶體管開始作為放大器被用于收音機、助聽器等消費類設備，即將在電子計算機中取代真空管作為開關。然而，曾于1948年在貝爾實驗室負責晶體管開發的杰克·莫頓（Jack Morton）在10年后發現，電子器件正面臨著“數字暴政”問題，需要將越來越多的元件集成在工作設備的狹小空間里，但能封裝和手工連接的獨立元件數量是有物理限制的。莫頓認為用晶體管代替真空管已經解決了這個問題，但實際上晶體管同樣面臨著“數字暴政”問題的困擾。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仍然難以在一定尺度以下的空間進行。

解決微型化難題對美國陸軍來說尤為急迫。20世紀50年代初，美國海軍曾進行“修補匠計劃”項目，試圖對真空管組件中的一些電路進行標準化，從而在緊急情況下更快地完成組裝。1958年3月，美國陸軍進一步拓展了這個想法，負責陸軍通信的通信部隊與領軍電子器件公司RCA（美國無線電公司）簽訂了“微模塊”開發合同。微模塊是晶圓上的一小疊晶體管電路，在戰場上能很方便地進行安裝或更換，可以用于軍隊需要的堅固耐用、易于維護的無線電設備和便攜式計算機。當時RCA公司得到了2500萬美元的資助，項目在接下來五年里取得了穩定進展，但微模塊還是沒有克服微型化的難題，其在1964年投入使用時就已經過時了。

美國空軍處理“數字暴政”問題的方法則更加激進。1956年，麻省理工學院的科學家亞瑟·馮·希佩爾（Arthur von Hippel）提出在現有材料的基礎上已經難以改進電子元件，只有在分子層面創造新的材料，才能簡化設備制造過程。這一觀點促使美國空軍在1959年向另一家領先電氣公司西屋電氣資助了700萬美元，試圖通過該公司稱為“分子電子學”的方法實現微型化。但由于技術限制，仍無果而終。分子電子學的故事反映了一種“二戰”后的觀念，那就是新科學總能轉化為實際工程成果。

1952年，英國皇家雷達研究所的工程師杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）給出了一種更加務實的想法，他提出用一個半導體塊的不同部分來實現不同的電路功能。雖然杜默沒能基于這個思想造出一臺可行的設備，但后來杰克·基爾比認為他的這一想法已經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。

單片電路構想

德州儀器公司成立于20世紀30年代。“二戰”期間，美國海軍航空電子領域的負責人帕特里克·哈格提（Patrick Haggerty）加入了這家公司，幫助它競爭軍用電子設備合同。一年后，哈格提從貝爾系統獲得了晶體管制造許可證。1953年，哈格提說服貝爾電話實驗室的戈登·蒂爾加入德州儀器公司。蒂爾當時已經發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發出一種硅晶體管，硅的制造難度比鍺高，但具有更強的可靠性。

1958年5月，基爾比加入了德州儀器公司，此時RCA公司已經請德州儀器公司共同參與美軍的微型模塊項目，基爾比也參與這個項目。然而私下里，基爾比認為微型模塊不能解決電路微型化的問題，所以對其持反對態度，不過他很快就有機會來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有獲得假期，所以形單影只的他在公司待了兩個星期。他后來寫道：“只留思緒與想象力與我為伴。”為了避免參與微模塊工作，同時為解決更深層的問題，基爾比開始重新設計基本電路。

20世紀50年代，電子器件產業的大部分公司都承接著軍工合同，生產的關鍵在于質量而非成本。但基爾比在一家消費類電子設備公司工作了十年，那里將產品的制造成本也看得至關重要。因此，他加入德州儀器公司后，想找到一種既經濟又高效的解決方案。基爾比的新東家是半導體元件的領先制造商，因此也很清楚降低半導體的使用成本能讓公司獲益良多。

德州儀器公司那時已發明了硅晶體管，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制造電阻和電容器等電路部件，但對其他部件來說這兩種材料并不是最合適的，因此電子設備制造商一般會選擇其他材料。基爾比越深入地思考，就越意識到互聯問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題。

1958年7月24日，基爾比在實驗室筆記中寫道：“在一個硅片上制造電阻器、電容器、晶體管和二極管，就可以實現許多電路的極致微型化。”基爾比概述了如何將硅片不同區域摻雜為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為“單片電路構想”。

等公司其他人復工后，基爾比向其主管陳述了自己的想法，后者批準他繼續進行實驗。基爾比在實驗中使用了硅晶體管，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轉。下一步就是在同一塊半導體材料上制作電路，材料表面不同的區域被加工為不同的電路部件。當時公司沒有基爾比需要的硅，因此他在一個鍺片上做了一個電路。

圖 ?杰克·基爾比設計的實驗性單片電路

1958年9月12日，基爾比在德州儀器公司的高級經理面前啟動了這個裝置，用他的電路把直流電變成了交流電。一星期后，他又做出了一個可以作為開關的電路。經過秋冬兩季的試驗，他成功地用硅制造出了這些電路。這一成果成為20世紀中葉繼晶體管之后的第二次重大電子技術突破。

從平面工藝到集成電路

杰克·基爾比證明可以在半導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想法申請專利，基爾比來不及進一步完善。基爾比在1959年2月6日提出專利申請時列舉的例子中仍然使用著導線，盡管他在聲明中指出它們可以為金屬線或“連接線”所替代。羅伯特·諾伊斯則在此基礎上進行了完善，并進一步研制出了在單個半導體芯片上制造無導線電路的方法，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： 中國出版集團 中譯出版社

1957年年底，諾伊斯和仙童半導體公司的其他7位創始人從IBM那里贏得了一份合同。這份合同是為美國空軍的一種新型機載計算機制造硅晶體管，合同要求這種晶體管必須具備其他公司難以達到的特殊性能。諾伊斯胸有成竹，表示保證能完成任務。仙童公司組成了兩個團隊：第一個團隊由戈登·摩爾領導，試圖制造具有p型基極的結型晶體管;另一個團隊由瓊·赫爾尼領導，試圖制造具有n型基極的晶體管。摩爾的團隊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個晶體管。

然而在執行合同時，仙童公司的創始人遇到了一個困擾著當時所有晶體管制造商的問題：在生產過程中，絕大部分晶體管都遭到了灰塵等細顆粒污染物的破壞而無法正常使用。瓊·赫爾尼及其團隊在輸掉制造新晶體管的競爭后，開始思考如何解決這個問題。1955年，貝爾電話實驗室發現了一種制造晶體管的新方法，即在半導體表面鋪上一層二氧化硅薄膜。通過薄膜上的開口擴散待摻雜的元素，從而在下方形成n型和p型半導體區域，同時薄膜還能保護材料免受溫度升高的影響。不過，當時的晶體管制造商們認為二氧化硅也是一種潛在的污染物，一旦不再需要就會被腐蝕掉。但赫爾尼突然想到，也許留著這種二氧化硅薄膜更能保護晶體管并改善其性能。很快，實驗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，赫爾尼還重新設計了晶體管，將發射極、基極和集電極集成在同一個鍍了二氧化硅層的平面上，從而創造出一種更實用的裝置，可以用機器通過類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始制造晶體管。

仙童公司的律師曾詢問諾伊斯平面工藝是否能夠拓展到晶體管制造以外的業務，由此諾伊斯意識到，如果能用平面工藝在鍍了氧化層的半導體材料表面上制造出一個完整電路，那么平面工藝可能將引導他們取得更重大的突破。1959年1月23日，諾伊斯在他的實驗室筆記上寫道：“這種工藝有諸多應用，其中非常有價值的一種就是在一片硅上制造多個器件，從而在制造過程中實現器件之間的互連，進而減小每個有源元件的尺寸、重量和成本等。”諾伊斯還簡要記述了以下情況，即鋁導線鋪在二氧化硅層上不但不會影響下面的硅，同時還可以通過連接線和層中的小開口實現芯片上電路部件的互聯。利用平面工藝，機器能得以在硅芯片上制造出人工組裝無法實現的微型電路。仙童公司由杰伊·拉斯特（Jay Last）帶領的一個團隊克服了工程層面的挑戰，并在1961年組裝出了一個能運行的版本。

基爾比設想了一種用單個半導體制造的完整電路，并進行了實物演示。諾伊斯則是提出了一種新的互聯方法，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行互連。將基爾比和諾伊斯的想法結合，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合了工程目標、半導體（硅）提純技術進展與新科學研究的產物。而集成電路則是不同工程思想的碰撞結合，即單一材料的使用與平面工藝。雖然為了實現這一創新發明，基爾比和諾伊斯必須了解與半導體相關的物理知識，但他們不需要借助新的科學發現就能造出微芯片。微芯片的問世，解決了分立式晶體管誕生十年后就遇到的微型化問題，并最終成為一種基礎電子元件。