微芯片：从构想到现实的工程创新思维

从无线电到晶体管

杰克·圣克莱尔·基尔比出生于密苏里州杰斐逊。1927年，出于父亲工作的需要，基尔比一家搬到了堪萨斯州的萨莱纳。1937年，一场暴风雪摧毁了附近的电线，他父亲在业余无线电操作者的帮助下联系上了电力公司的工作人员，基尔比在雪地里一直跟着他们。这件事引起了基尔比对电子产品的兴趣。1941年，基尔比从大本德高中毕业，于秋天被伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的电气工程专业录取，并于1947年取得学士学位。

此后，基尔比加入了全球联盟公司，在威斯康星州密尔沃基的研究分部中央实验室工作。这个公司主要制造助听器以及无线电、新媒体电视用的电子器件。助听器需要极小的电路，而中央实验室在真空管电路的微型化方面处于领先地位。这个实验室设计的一种方法实现了电路的“丝印”连接，即在金属线的位置给陶瓷底座涂上银导线，但该实验室仍然无法大幅压缩真空管的体积。

1952年，贝尔实验室邀请中央实验室与其他公司工程师参加一场晶体管研讨会，基尔比参会后，将工作重心从真空管转移到了晶体管上。他很快了解了如何提纯硅和锗，并成为晶体管制造与电路设计专家。1958年，受经济形势影响，基尔比离开了中央实验室，开始进入德州仪器公司工作。

出生于爱荷华州伯灵顿市的罗伯特·诺伊斯和基尔比一样，很早就对无线电产生了兴趣。1949年，罗伯特·诺伊斯在格林内尔学院完成了数学和物理的双专业课程，顺利毕业。当诺伊斯从朋友那里得知了贝尔实验室发明了晶体管之后，便被这个设备迷住了，于是决定申请麻省理工学院研读固态物理。

诺伊斯对电子学中的自然现象非常感兴趣，他想将这些知识转化为实际应用。1953年，在诺伊斯取得物理学博士学位后，他进入了费城的电子器件制造公司飞歌（Philco）工作，在那里他改良了公司设计的一种新晶体管。然而接下来的两年里，飞歌的生产速度很慢，经营上的困难阻碍了新的研究。

此后一段时间诺伊斯曾在肖克利的贝尔实验室中工作，但因观念不合，1957年秋天离开了肖克利的团队。此后在投资人谢尔曼·费尔柴尔德（Sherman Fairchild）的资助下，诺伊斯与另外7名研究者创建了仙童半导体公司，诺伊斯任这家新公司的研究总监。

微模块与分子电子学

20世纪50年代末，电子产品的发展面临着越来越大的不确定性。晶体管开始作为放大器被用于收音机、助听器等消费类设备，即将在电子计算机中取代真空管作为开关。然而，曾于1948年在贝尔实验室负责晶体管开发的杰克·莫顿（Jack Morton）在10年后发现，电子器件正面临着“数字暴政”问题，需要将越来越多的元件集成在工作设备的狭小空间里，但能封装和手工连接的独立元件数量是有物理限制的。莫顿认为用晶体管代替真空管已经解决了这个问题，但实际上晶体管同样面临着“数字暴政”问题的困扰。尽管晶体管电路体积可以压缩到比真空管电路更小，但仍然必须手工组装，因此电路部件制造与互联仍然难以在一定尺度以下的空间进行。

解决微型化难题对美国陆军来说尤为急迫。20世纪50年代初，美国海军曾进行“修补匠计划”项目，试图对真空管组件中的一些电路进行标准化，从而在紧急情况下更快地完成组装。1958年3月，美国陆军进一步拓展了这个想法，负责陆军通信的通信部队与领军电子器件公司RCA（美国无线电公司）签订了“微模块”开发合同。微模块是晶圆上的一小叠晶体管电路，在战场上能很方便地进行安装或更换，可以用于军队需要的坚固耐用、易于维护的无线电设备和便携式计算机。当时RCA公司得到了2500万美元的资助，项目在接下来五年里取得了稳定进展，但微模块还是没有克服微型化的难题，其在1964年投入使用时就已经过时了。

美国空军处理“数字暴政”问题的方法则更加激进。1956年，麻省理工学院的科学家亚瑟·冯·希佩尔（Arthur von Hippel）提出在现有材料的基础上已经难以改进电子元件，只有在分子层面创造新的材料，才能简化设备制造过程。这一观点促使美国空军在1959年向另一家领先电气公司西屋电气资助了700万美元，试图通过该公司称为“分子电子学”的方法实现微型化。但由于技术限制，仍无果而终。分子电子学的故事反映了一种“二战”后的观念，那就是新科学总能转化为实际工程成果。

1952年，英国皇家雷达研究所的工程师杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）给出了一种更加务实的想法，他提出用一个半导体块的不同部分来实现不同的电路功能。虽然杜默没能基于这个思想造出一台可行的设备，但后来杰克·基尔比认为他的这一想法已经有了固体电路的雏形，这比基尔比自己研究微型化电子器件还早了6年。

单片电路构想

德州仪器公司成立于20世纪30年代。“二战”期间，美国海军航空电子领域的负责人帕特里克·哈格提（Patrick Haggerty）加入了这家公司，帮助它竞争军用电子设备合同。一年后，哈格提从贝尔系统获得了晶体管制造许可证。1953年，哈格提说服贝尔电话实验室的戈登·蒂尔加入德州仪器公司。蒂尔当时已经发明了一种提纯锗的方法，能提升锗在晶体管中的使用效率。1954年，他又在德州仪器公司开发出一种硅晶体管，硅的制造难度比锗高，但具有更强的可靠性。

1958年5月，基尔比加入了德州仪器公司，此时RCA公司已经请德州仪器公司共同参与美军的微型模块项目，基尔比也参与这个项目。然而私下里，基尔比认为微型模块不能解决电路微型化的问题，所以對其持反对态度，不过他很快就有机会来深入思考其他选择了。1958年7月，德州仪器的大部分员工都外出度假了，而基尔比作为一名新员工还没有获得假期，所以形单影只的他在公司待了两个星期。他后来写道：“只留思绪与想象力与我为伴。”为了避免参与微模块工作，同时为解决更深层的问题，基尔比开始重新设计基本电路。

20世纪50年代，电子器件产业的大部分公司都承接着军工合同，生产的关键在于质量而非成本。但基尔比在一家消费类电子设备公司工作了十年，那里将产品的制造成本也看得至关重要。因此，他加入德州仪器公司后，想找到一种既经济又高效的解决方案。基尔比的新东家是半导体元件的领先制造商，因此也很清楚降低半导体的使用成本能让公司获益良多。

德州仪器公司那时已发明了硅晶体管，也具备锗晶体管的制造能力。基尔比知道硅或锗也可以用来制造电阻和电容器等电路部件，但对其他部件来说这两种材料并不是最合适的，因此电子设备制造商一般会选择其他材料。基尔比越深入地思考，就越意识到互联问题的根源就在于需要连接不同材料制成的部件，如果所有部件都用同样材料制成就可以消除这一问题。

1958年7月24日，基尔比在实验室笔记中写道：“在一个硅片上制造电阻器、电容器、晶体管和二极管，就可以实现许多电路的极致微型化。”基尔比概述了如何将硅片不同区域掺杂为n型或p型材料，从而形成芯片上的不同电路元件。这种使用一块普通基板制造电路部件的想法被他称为“单片电路构想”。

等公司其他人复工后，基尔比向其主管陈述了自己的想法，后者批准他继续进行实验。基尔比在实验中使用了硅晶体管，并亲自制造了硅电阻和电容器，证明了这些部件连接组成的电路可以运转。下一步就是在同一块半导体材料上制作电路，材料表面不同的区域被加工为不同的电路部件。当时公司没有基尔比需要的硅，因此他在一个锗片上做了一个电路。

图  杰克·基尔比设计的实验性单片电路

1958年9月12日，基爾比在德州仪器公司的高级经理面前启动了这个装置，用他的电路把直流电变成了交流电。一星期后，他又做出了一个可以作为开关的电路。经过秋冬两季的试验，他成功地用硅制造出了这些电路。这一成果成为20世纪中叶继晶体管之后的第二次重大电子技术突破。

从平面工艺到集成电路

杰克·基尔比证明可以在半导体材料的单片上制造出电子电路的不同元件，但由于需要尽快为这个想法申请专利，基尔比来不及进一步完善。基尔比在1959年2月6日提出专利申请时列举的例子中仍然使用着导线，尽管他在声明中指出它们可以为金属线或“连接线”所替代。罗伯特·诺伊斯则在此基础上进行了完善，并进一步研制出了在单个半导体芯片上制造无导线电路的方法，他与基尔比的研究扫清了电路微型化的障碍。

作者： [ 美] 小戴维·P·比林顿。出版： 中国出版集团 中译出版社

1957年年底，诺伊斯和仙童半导体公司的其他7位创始人从IBM那里赢得了一份合同。这份合同是为美国空军的一种新型机载计算机制造硅晶体管，合同要求这种晶体管必须具备其他公司难以达到的特殊性能。诺伊斯胸有成竹，表示保证能完成任务。仙童公司组成了两个团队：第一个团队由戈登·摩尔领导，试图制造具有p型基极的结型晶体管;另一个团队由琼·赫尔尼领导，试图制造具有n型基极的晶体管。摩尔的团队最先制造出了晶体管。于是，仙童公司在1958年夏天前交付了合同要求的100个晶体管。

然而在执行合同时，仙童公司的创始人遇到了一个困扰着当时所有晶体管制造商的问题：在生产过程中，绝大部分晶体管都遭到了灰尘等细颗粒污染物的破坏而无法正常使用。琼·赫尔尼及其团队在输掉制造新晶体管的竞争后，开始思考如何解决这个问题。1955年，贝尔电话实验室发现了一种制造晶体管的新方法，即在半导体表面铺上一层二氧化硅薄膜。通过薄膜上的开口扩散待掺杂的元素，从而在下方形成n型和p型半导体区域，同时薄膜还能保护材料免受温度升高的影响。不过，当时的晶体管制造商们认为二氧化硅也是一种潜在的污染物，一旦不再需要就会被腐蚀掉。但赫尔尼突然想到，也许留着这种二氧化硅薄膜更能保护晶体管并改善其性能。很快，实验证明保留二氧化硅层能提升晶体管的可靠性。除了保留薄膜，赫尔尼还重新设计了晶体管，将发射极、基极和集电极集成在同一个镀了二氧化硅层的平面上，从而创造出一种更实用的装置，可以用机器通过类似印刷的方式连接电路。赫尔尼将其命名为平面工艺。仙童公司很快就采用这种方法开始制造晶体管。

仙童公司的律师曾询问诺伊斯平面工艺是否能够拓展到晶体管制造以外的业务，由此诺伊斯意识到，如果能用平面工艺在镀了氧化层的半导体材料表面上制造出一个完整电路，那么平面工艺可能将引导他们取得更重大的突破。1959年1月23日，诺伊斯在他的实验室笔记上写道：“这种工艺有诸多应用，其中非常有价值的一种就是在一片硅上制造多个器件，从而在制造过程中实现器件之间的互连，进而减小每个有源元件的尺寸、重量和成本等。”诺伊斯还简要记述了以下情况，即铝导线铺在二氧化硅层上不但不会影响下面的硅，同时还可以通过连接线和层中的小开口实现芯片上电路部件的互联。利用平面工艺，机器能得以在硅芯片上制造出人工组装无法实现的微型电路。仙童公司由杰伊·拉斯特（Jay Last）带领的一个团队克服了工程层面的挑战，并在1961年组装出了一个能运行的版本。

基尔比设想了一种用单个半导体制造的完整电路，并进行了实物演示。诺伊斯则是提出了一种新的互联方法，即平面工艺，用这种方法可以在芯片上制造完整的电路并进行互连。将基尔比和诺伊斯的想法结合，就诞生了一种新的装置——集成电路（即微芯片）。

回顾晶体管与集成电路的诞生之路，可以看到晶体管是结合了工程目标、半导体（硅）提纯技术进展与新科学研究的产物。而集成电路则是不同工程思想的碰撞结合，即单一材料的使用与平面工艺。虽然为了实现这一创新发明，基尔比和诺伊斯必须了解与半导体相关的物理知识，但他们不需要借助新的科学发现就能造出微芯片。微芯片的问世，解决了分立式晶体管诞生十年后就遇到的微型化问题，并最终成为一种基础电子元件。