Category Archives: 電的旅程

「第十五章：矽谷與晶片」

        ＜快捷與矽谷現象 ( 1 )＞

        再回頭看一看1960年代的快捷半導體公司。在諾宜斯及摩爾的領導下，公司對技術開發特別重視，不斷從世界各地聘請很多一流人才。研發的方向也非常實際，有效的面對市場需求。快捷半導體公司成立後才兩年，總公司看到這個新組織的盈利前途很樂觀，決定運用創業文件上的一個條款，把洛克及「八叛徒」所擁有的30%股份收購回來。

        諾宜斯等人雖然沒有選擇，但每人當初的500元投資兩年後變成了25萬元回報，從投資角度來看已是非常理想，可是從各人心態上來說，就大不相同了──從此快捷半導體已經不是自己的企業，大家不過是為公司「打工」而已，拚搏精神已大打折扣，同時各人經濟上也有了一些基礎，必要時離開快捷已沒有牽掛。……(待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 12 )＞……(續上)

        貝爾實驗室在電晶體及眾多其他技術的開發上，居有絕對的領導地位，但在晶片發展史上，卻扮演著配角的角色。這是什麼原因呢？最大的理由可追溯到貝爾實驗室新上任的研究主管莫頓。莫頓是當年把點觸電晶體和接面電晶體產品化的負責人。這些早期的技術，從材料到製程都非常不成熟。研究人員示範了可行性，就算大功告成，盡得榮耀，但負責生產的人，要做到產品能達到要求的性能、可靠度、良率、成本限制等，是一件極困難又不討好的事。最後莫頓和他的團隊可以成功的量產這些早期的元件，實在非常了不起。

        但在這過程中，莫頓深諳半導體技術生產之困難。當大量生產接面電晶體時，他用的是高台製程，良率很低，達到20%～30%已經相當不錯了。可是在晶片中需要把很多電晶體連接在一起，每枚晶片中只要有一個電晶體不符合規格，整個產品就要作廢。如果每一個電晶體的良率是30%，而晶片中有7個電晶體，那麼平均每枚晶片的良率只有0.02%，幾乎是零。所以單純從良率的角度來看，大型晶片根本是沒有前途的妄想。

        莫頓到處宣揚他「數目上的暴虐」（tyranny of numbers）這個概念，提醒大家對晶片的發展不要過分樂觀。其實莫頓太受個人經驗的束縛，而諾宜斯等人初生之犢不怕虎，用上了貝爾實驗室自己研發的二氧化矽知識，開發了平面製程，徹底改變了傳統的材料及製造技術。後來晶片技術的成功程度，是當時最樂觀的人也夢想不到的。有感於斯，諾宜斯對年輕人有一句名言：「不要受歷史束縛，放膽去做一些佳妙的事！」（Don’t be encumbered by history, go off and do something wonderful!）……(完)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 11 )＞……(續上)

        晶片專利問題和其他新發明一樣，也在法庭上糾纏了十多年。雖然基爾比的申請比諾宜斯早，但諾宜斯反而先取得專利權。德儀不服上訴，法庭的判決多次反覆。德儀雖想獨享晶片專利，但也清楚知道如果不用快捷半導體的平面製程，沒有其他方法可實現基爾比的發明，所以在和快捷談判的過程中，德儀的底線就是能達到對自己最有利的妥協。

        諾宜斯及摩爾等人當時都還是年輕的技術專家，他們覺得把各種元件做在一塊晶片上的想法非常明顯，屬於常識，沒有什麼了不起，而對於用幾乎是常識的專利來「勒索」他人的作風，情感上有一種抗拒感；不過同時他們也非常現實，知道專利權在市場競爭上的重要性，所以也一直在尋求最理想的妥協。

        由於雙方的想法一致，快捷和德儀管理階層在1966年達成商業協議，決定共同分享晶片專利權，其他公司必須分別向德儀及快捷繳交專利授權費。雖然兩間公司在生意上達到了共識，但雙方的律師團繼續惡鬥，毫無意義的玩弄文字遊戲，直到1971年最高法院判決諾宜斯贏了這場官司，但結果已沒有實質上的重要性。在專利權有效期間，德儀及快捷各自取到了數以億計的授權費，很多來自日本，對兩間公司在那段時期的盈利至為重要。……(待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 10 )＞……(續上)

        諾宜斯的事蹟，留待後面再詳述，在這裡再補充一下何尼的生平。

        何尼出生在瑞士，從小喜歡攀登雪峰。在求學時功課出色，立志成為物理學家。他先在日內瓦大學取得物理博士學位，再去劍橋大學專攻理論物理，取得第二個博士學位，最後到加州理工學院做博士後研究，一生的訓練方向都朝著要做一個學者型的理論物理學家。想不到的是，1954年在加州理工學院遇上了蕭克萊，讓蕭克萊留下了深刻的印象。1955年蕭克萊創業時，各處招兵買馬，想到了何尼，特意親自去加州理工學院邀他加盟。何尼從來沒有想過進入工業界，但蕭克萊的邀約讓何尼盛情難卻，最後決定一試。就這樣他參加了蕭克萊實驗室，後來成了八叛徒之一，參與創立了快捷半導體。

        創業之初，大家都忙著發展產品、應對客戶，但何尼仍保留著學者風範，時刻留意各處研究所發表的論文，尤其是貝爾實驗室在半導體方面的研究。他把這些基本知識和實際生產需要融合在一起，創出了平面製程，奠定了晶片技術的基石。何尼在1961年離開快捷半導體，先後創立了三家新的電子公司。他每年渡假時，最喜攀登位於喀什米爾的喀喇崑崙山脈。同是「八叛徒」之一的拉斯特，回憶何尼毅力及體力驚人，在艱難的攀登過程中可以長時間不吃不喝。何尼在1997年逝世前，將大半積蓄捐贈給中亞學會的「登峰基金」，資助登山者實現他們的夢想。何尼是現代電子技術最重要的貢獻者之一，但知名度遠不及諾宜斯與基爾比。……(待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 9 )＞……(續上)

        基爾比在2000年因為發明晶片技術而得到諾貝爾物理獎，當時諾宜斯及何尼均已逝世（諾貝爾獎在評審時只考慮還活著的候選人）。在某種意義上，基爾比是代表諾宜斯、何尼等所有對發展晶片技術有重大貢獻者，領取這項榮譽。基爾比在領獎時非常謙卑，還特別提到諾宜斯。他常常講起自己不是科學家而是工程師，對他來說，科學家的職責是追尋自然界的真知，而工程師的職責是專門解決技術問題。

        除了在晶片上的貢獻外，1968年基爾比在德儀負責發展微型計算機技術時，也開創了一個劃時代的新產品。為了解決計算機上需要低價顯像的難題，他發明了運用「熱感應」原理的微型印刷機。基爾比是第一流的工程師，一生以解決技術難題為樂，他在2005年因癌症逝世，享年八十一歲。…… (待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 8 )＞……(續上)

        在1957年，快捷半導體的何尼發展了一套平面製程的想法，不過一直到1959年才成功示範。他的目標只是要發展一個更可靠的方法，來大量生產電晶體，沒有想到可簡單的延伸為積體電路。

        1959年在申請平面製程專利過程中，激發了諾宜斯的創意，想到了延伸平面製程，可以很自然的連接晶片上各種元件，而成為積體電路。諾宜斯在這個過程中，還借用了拉侯威克（Kurt Lahovec）的發明，就是用擴散技術來隔離晶片上各個元件間，由於矽晶本身導電而存在的耦合性。在晶片製造過程中，這一步驟也很自然的融合進平面製程中。

        現代實用的晶片技術，是由何尼的平面製程、再加上諾宜斯延伸的元件連接概念為主軸。今天大家把晶片的發明歸功於基爾比及諾宜斯，雖不無道理，但不完整，因為沒有何尼的平面製程，就根本沒有現代晶片技術！……(待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 7 )＞……(續上)

        在申請專利時，律師詢問大家，還有什麼其他跟平面製程有關的發明，可寫到申請書中？諾宜斯提出，用平面製程可以很輕易的把三極體、二極體、電阻、電容等晶片上的元件，用光刻的金屬薄膜技術自然又可靠的連接在一起，形成積體電路，不需像基爾比那樣，必須用焊接的金線。幾個月後那斯特(Jay Last)就成功示範了諾宜斯的概念，用平面製程生產了由三枚電晶體組成的正反器邏輯電路。這是一個劃時代的成就，因為這個積體電路的技術方向走對了，帶動了積體電路時代的正式開始！從此人類可以在晶片上駕馭電子。在以後五十多年的發展過程中，雖然一個晶片已可包括幾十億枚電晶體，但製造技術及流程，基本上還是何尼平面製程與諾宜斯積體電路的延伸。

        概括來說，晶片技術的成功源於四個重要概念。首先在1958年，基爾比第一個想到把整個電路集積在同一晶片上；更重要的是，他在實驗室做了明確的示範。但是他沒有想出可靠的辦法，把晶片上各個細小的元件連接起來，欠缺了積體電路最核心的關鍵。德儀為了保密，沒有宣布基爾比的結果，所以當時基爾比的發明對電子技術界的科研沒有影響，是一個技術上孤立而無後繼的發展。……(待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 6 )＞……(續上)

        在快捷半導體「八叛徒」中，有一位瑞士籍的理論物理專家，名叫何尼（Jean Hoerni），他認識到高台型電晶體在可靠度及良率方面的弱點，一直在思考一個更好的辦法來大規模生產矽電晶體。他熟悉貝爾實驗室對二氧化矽薄膜的基本研究及光刻技術的進展，認為這兩個技術結合起來，可能會提供一個極佳的答案。

        1957年底，何尼徹底想通了一個新的程序來製造矽電晶體：盡量利用擴散時產生的二氧化矽薄膜，來保護矽的表面，再在製造過程中重複使用光刻、酸蝕、擴散及薄膜金屬等工藝。這個方法可有效的用二氧化矽保護敏感的p-n接面，而所有在晶圓上製成的元件都在同一個平面上，不再有高台與深谷。何尼把這套製造程序命名為「平面製程」（planar process）。他的想法差不多給擱置了一年，因為大家忙著生產高台型電晶體，以應付顧客的需求。

        1959年1月，何尼終於有機會用平面製程，製成了第一枚電晶體，過程中要用四次光刻步驟。經測試後，何尼發現，用平面製程做出來的電晶體性能遠比高台製程做出來的好，可靠度及良率均大幅提高。諾宜斯等人充分意識到，這是電晶體製造技術中一個極重要的新發展，於是一方面開始申請專利，一方面做了一個果斷的決定：從今以後，所有快捷半導體的產品都轉用平面製程來生產。…… (待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 5 )＞……(續上)

        每一家公司都為此問題頭痛不已。其實在1954年，貝爾實驗室研究員佛勞許(Carl Frosch) 和他的團隊，在發展矽氣態擴散技術時已發現：為了保持矽表面在高溫時不受氣態侵蝕，在擴散時需混入水蒸氣，而在擴散加熱過程中，水蒸氣會把矽的表面氧化，產生一層像水晶一樣的二氧化矽薄膜，來保護矽的表面。在1956年，貝爾實驗室的研究員發表了矽與二氧化矽的基本性能，發現這層薄膜結構完美，高度絕緣。同時矽和二氧化矽的接面上很少瑕庇，沒有多少被困縛的電子層來影響矽的性能。

        貝爾實驗室這個重要的研究結果，在工業界沒有受到充分的留意。早期大家用擴散技術製造鍺電晶體時，產生的氧化鍺薄膜性能不穩定，又有導電性，所以在擴散步驟完成後，必須完全除去。但電晶體材料換成矽後，大家不加思索沿用當初用在鍺上的步驟，把最理想的二氧化矽也除去。其實這不但不必要，而且這層二氧化矽是對電晶體最有效的保護。這種錯誤在日常生活中經常會發生。有時各種基本因素已經改變了，但人們仍會不加思索的沿用習慣的舊辦法去做，錯失良機。……(待續)

「第十五章：矽谷與晶片」

＜平面製程與晶片 ( 4 )＞……(續上)

        德儀管理階層意識到這個發明的重要性，馬上就開始申請專利。同時基爾比也開始用這個原理來設計比較複雜的電路。不久，基爾比的積體電路概念成功的移植到了矽晶上。但有一個基本問題仍舊無法解決，那就是如何把晶片上大量蝕刻的元件可靠的連接起來？用金線焊接的方法只能是權宜之計，因為電路稍複雜就行不通了。對於這個難題，基爾比束手無策，在申請專利時只好含糊的一筆帶過。

        就在基爾比加盟德儀的時候，諾宜斯和他的同伴正在快捷半導體公司發展擴散技術，大量生產矽電晶體。快捷半導體的電晶體性能優越，很受顧客歡迎，銷售量不斷上升，但是電晶體的良率仍很低。主要原因是矽晶片經過兩次擴散之後，必須把晶片表面處理乾淨，用氟酸洗去所有在擴散時產生的二氧化矽薄膜，再用光刻技術把經過擴散的矽晶片蝕刻成一個個分割的p-n接面。每一個獨立的接面，就是一枚電晶體。電晶體像一座平頂高台，所以這個技術叫「高台製程」（mesa process）。電晶體良率的問題，主要出在高台的邊緣及旁邊暴露的p-n接面，這些區域易受外界因素影響，又不易保護。…… (待續)