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图说芯片技能60多年的开展史(上篇)

发布时间:2022-09-17 09:55:52 | 作者:火狐直播 点击量: 13
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  集成电路(芯片)技能自1958年诞生以来,已有63年的开展前史。在今日的信息化社会中,芯片无疑是最重要的根底支撑。近年来,芯片中心技能已成为美国保护科技霸权,围堵镇压他国的利器。人们都想知道,芯片技能是怎么由开端的原始和不成熟,一步一步开展成为今日高科技皇冠上的技能明珠。本文将以相片和图示为主,以文字为辅,说说芯片技能60多年的开展史。由于篇幅所限,暂定分上、中、下三篇叙说。

  要介绍芯片技能开展史,就要从半导体的发现和研讨、电子管、晶体管和集成电路的创造说起。正是由于这些发现、研讨和创造,电子技能及电子工业才得以诞生。从此,人类社会拉开了电子信息化的前奏。

  1833年,英国科学家迈克尔.法拉第(Michael Faraday)在测验硫化银(Ag2S)特性时,发现硫化银的电阻跟着温度的上升而下降的特异现象,被称为电阻效应,这是人类发现的半导体的第一个特征。

  1839年,法国科学家埃德蒙.贝克雷尔(Edmond Becquerel)发现半导体和电解质触摸构成的结,在光照下会发生一个电压,这便是后来人们熟知的光生伏特效应,简称光伏效应。这是人类发现的半导体的第二个特征。

  1873年,英国的威洛比.史密斯(Willoughby Smith)发现硒(Se)晶体资料在光照下电导增加的光电导效应,这是人类发现的半导体的第三个特征。

  1874年,德国物理学家费迪南德.布劳恩(Ferdinand Braun)观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关。在它两头加一个正向电压,它是导通的;假如把电压极性反过来,它就不导电,这便是半导体的整流效应,这是人类发现的半导体的第四个特征。同年,出生在德国的英国物理学家亚瑟.舒斯特(Arthur Schuster)又发现了铜(Cu)与氧化铜(CuO)的整流效应。

  尽管半导体的这四个效应在1880年曾经就先后被科学家发现,但半导体这个名词大约到了1911年才被科尼斯伯格(J.Konigsberger)和维斯(I.Weiss)初次运用。后来,关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论才在很多科学家的尽力下逐渐完结。

  这以后二十多年,国际上呈现了一些半导体使用事例。例如,1907~1927年美国的物理学家研制成功了晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜(Cu2O)整流器等。1931年,硒光伏电池研制成功。1932年,德国先后研制成功硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)和碲化铅(PbTe)等半导体红外探测器等。

  1947年,美国贝尔试验室全面总结了半导体资料的上述四个特性。从1880~1947年长达67年的时刻里,由于半导体资料难以提纯到抱负的程度,因而半导体资料研讨和使用进程十分缓慢。尔后,四价元素锗(Ge)和硅(Si)成为了科学家最为重视和大力研讨的半导体资料。而在肖克莱(W.Shockley)创造锗晶体三极管的几年后,人们发现硅愈加合适出产晶体管。尔后,硅成为使用最广泛的半导体资料,并一向连续至今。这也是美国北加州成为硅工业中心后,被称为“硅谷”的原因。

  半导体资料是导电功用介于导体和绝缘体之间的资料,它们的电阻比导体大得多,但又比绝缘体小得多。其电学功用可以人为加以改动。常见的半导体资料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。

  1904年,英国物理学家约翰.安布罗斯.弗莱明(John Ambrose Fleming)创造了国际上第一个电子管,它是一个真空二极管,他取得了这项创造的专利。

  1906年,美国工程师李.德.福雷斯特(Lee de Forest)在弗莱明真空二极管的根底上又多加入了一个栅极,创造了另一种电子管,它是一个真空三极管,使得电子管在检波和整流功用之外,还具有了扩大和震动功用。福雷斯特于1908年2月18日拿到了这项创造的专利。

  真空三极管被认为是电子工业诞生的起点。它的使用时期长达40多年。由于电子管具有体积大、耗电多、可靠性差的缺陷,终究它被后来者晶体管所替代。

  1947年,美国贝尔试验室的巴丁(J.Bardeen)、布拉顿(W. Brattain)、肖克莱(W.Shockley)三人创造了点触型晶体管,这是一个NPN锗(Ge)晶体管,他们三人因而项创造取得了1956年诺贝尔物理学奖。

  1950年,当蒂尔(G.K.Teal)和利特尔(J.B.Little)研讨成功成长大单晶锗的工艺后,威廉姆.肖克莱(W.Shockley)于1950年4月制成第一个双极结型晶体管—PN结型晶体管,这种晶体管实践使用比点触型晶体管广泛得多。今日的晶体管,大部分仍是这种PN结型晶体管。所谓PN结便是P型半导体和N型半导体的结合之处,P型半导体多空穴。N型半导体多电子。

  1952年,有用的结场效应晶体管(JunctionField-Effect Transistor,JFET)被制作出来。结场效应晶体管(JFET)是一种用电场效应来操控电流的晶体管。到了1960年,有人提出用二氧化硅改善双极性晶体管的功用,就此金属-氧化物-半导体(Metal Oxid Semiconductor,MOS)场效应晶体管诞生。艾塔拉(M.Atalla)也被认为是MOS场效应晶体管(MOSFET)的创造人之一。

  MOSFET宣告了在电子技能中的控制位置,而且支撑了当今信息社会的柱石——大规模集成电路开展。实践上,场效应晶体管(FET)由朱利叶斯.利林费尔德(JuliusLilienfeld)于1925年和德国物理学家奥斯卡.海尔(Oskar Heil)于1934年别离创造出来,仅仅一向未能制作出有用的晶体管器材。

  晶体管从双极型到MOS型,从分立式器材到集成在芯片之中,加上其所用不同的半导体资料,晶体管类型和品种繁多。晶体管首要起到小信号扩大、功率扩大、电流开关等效果,它是芯片中集成的数量最多的最根本的电路元器材。

  晶体管创造是微电子技能开展进程中第一个里程碑。晶体管的创造使人类步入了飞速开展的电子信息时代。到目前为止,它的使用已长达74年之久。

  1950年,美国人拉塞尔.奥尔(Russell Ohl)和威廉姆.肖克莱(W.Shockley)创造了离子注入工艺,1954年肖克莱申请了这项创造的专利。离子注入是将杂质电离成离子并聚集成离子束,在电场中加快后注入到硅资猜中去,完成对硅资料的掺杂,意图是改动硅资料的导电功用。离子注入是最早选用的半导体掺杂办法,它是芯片制作的根本工艺之一。

  1956年,美国人富勒(C.S.Fuller)创造了分散工艺;分散是掺杂的另一种办法,它也是芯片制作的根本工艺之一。

  离子注入工艺和分散工艺是两种掺杂办法。离子注入用于构成较浅的半导体结(Junction),分散用于构成较深的半导体结。掺杂就像炒菜中增加调味料,它是对半导体资料的“添枝加叶”。少数的其它物质掺进很纯的半导体资猜中,使其变得不纯,关于半导体资料来说,其它物质便是杂质,掺入的进程就称为掺杂。掺杂是将必定数量的其它物质掺加到半导体资猜中,人为改动半导体资料的电学功用的进程。

  1958年,美国仙童公司的罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)与美国德仪公司的杰克.基尔比(Jack Kilby)距离数月别离创造了集成电路,创始了国际微电子学的前史。诺伊斯是在基尔比创造的根底上,创造了可商业出产的集成电路,使半导体工业由“创造时代”进入了“商用时代”。

  基尔比由于创造集成电路而取得2000年的诺贝尔物理学奖。诺伊斯是仙童半导体公司(1957年建立)和英特尔公司(1968年建立)的创办人之一,他是巨大的科学家,是集成电路史上重要人物。惋惜的是,他之前在肖克莱试验室作业时,创造“负阻二极管”得不到老板支撑而停止,后来日本科学家江崎玲于奈(Leo Esaki)在此项创造上获诺贝尔奖;他于1990年去世,未比及2000年与基尔比共享当年的诺贝尔物理学奖,两次均与科技最高荣誉无缘。可是,他们两人都被称为是集成电路之父。

  1960年,卢尔(H.H.Loor)和克里斯坦森(Christenson)创造了外延工艺。外延是指在半导体单晶资料上成长一层有必定要求的、与基片晶向相同的单晶层,犹如本来的晶体向外延伸成长了一层。

  1960年,光刻工艺是初次使用在芯片制作中的吗?这是一个重要问题,需求本文要点评论。光刻工艺是芯片制作的魂灵技能,正是光刻工艺的呈现,才使得硅器材制作进入到了平面加工技能时代,才有大规模集成电路和微电子学飞速开展的今日。

  泛指意义上的光刻技能创造,应该追溯到1822年法国科学家约瑟夫.尼瑟福.尼埃普斯(Joseph Nicephore Niepce)的感光资料试验和刻蚀试验,以及他在1827年制作的d’Amboise主教雕板像复制品。本文所说的光刻工艺特指芯片制作进程中的光刻工艺技能。

  芯片制作的光刻工艺到底是什么时候创造的?笔者发现网上这方面的文章很少,即便有文章介绍,也都是一笔带过。网上资料首要有两种说法,第一种说法是,1960年卢尔(H.H.Loor)和卡斯特兰尼(E.Castellani)创造了光刻工艺[4]。第二种说法是,1970年斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellani)创造了光刻工艺[5]。两种说法中光刻创造时刻竟相差10年之久。网上也很难查到卢尔、卡斯特兰尼和斯皮勒怎么创造光刻工艺,乃至难以查到他们的生平介绍。

  笔者更信任1960年应是光刻工艺创造的年份。由于,假如光刻工艺是1970年才创造,那么1958~1970年这十多年时刻里,贝尔试验室、仙童公司、TI、RCA和Intel等前驱公司的半导体产品(双极、FET、MOSFET晶体管)和芯片是很难制作出来的。

  笔者也信任仙童公司应该是光刻工艺的创造地。1958年仙童公司几位创始人从照相机商铺购买了三个16毫米镜头,制作了一个步进和重复照相设备,用来制作掩模,并对掩模板、光刻胶进行了改善。1959年,罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)在日记中提出一个技能想象,“已然能用光刻法制作单个晶体管,那为什么不能用光刻法来批量制作晶体管呢?”,“把多种组件放在单一硅片大将可以完成工艺流程中的组件内部衔接,这样体积和分量就会减小,价格也会下降”。为此,仙童公司开端将光刻工艺测验使用于晶体管批量制作。诺伊斯提出了“平面技能”的想象,琼.赫尔尼(Jean Hoerni)便是将这一想象转换为实践可行的“平面处理”技能的那位大牛人[11]。

  从光刻机的开展时代来看,上世纪60时代是触摸式光刻机、挨近式光刻机;70时代是投影式光刻机;80时代是步进式光刻机;再到步进式扫描光刻机,浸入式光刻机和现在的EUV光刻机[16],可见芯片制作的光刻工艺不可能是1970年才创造出来。

  离子注入、分散、外延、光刻等工艺技能,加上真空镀膜技能、氧化技能和测验封装技能,构成了硅平面加工技能的主体,浅显地说是构成了芯片制作的主体。没有光刻技能就没有今日的芯片技能和工业,也就没有咱们现在的信息化和智能化社会。

  1962年,美国无线电公司(RCA)的史蒂文.霍夫施泰因(Steven Hofstein) 弗雷德里克.海曼(Frederic Heiman)研制出了可批量出产的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET,并选用试验性的16个MOS晶体管集成到一个芯片上,这是全球真实意义上的第一个MOS集成电路。

  1963年,仙童公司的弗兰克.万拉斯(Frank M.Wanlass)和华人萨支唐(C.T.Sah)初次提出CMOS电路技能。他们把N-MOS和P-MOS衔接成互补结构,两种极性的MOSFET一关一开,几乎没有静态电流,合适于逻辑电路。1963年6月,万拉斯为CMOS申请了专利,可是几天之后,他就离开了仙童公司。首款CMOS电路芯片是由RCA公司研制。CMOS电路技能为大规模集成电路开展奠定了坚实根底。今日,95%以上的集成电路芯片都是根据CMOS工艺制作。

  同年,仙童公司26岁的电路规划天才罗伯特.维德拉(Robert Widlar)规划了第一颗集成运算扩大器电路μA702。

  1964年,Intel公司创始人之一的戈登.摩尔(Gordon Moore)提出闻名的摩尔定律(Moores Law),猜测芯片技能的未来开展趋势是,当价格不变时,芯片上可包容的元器材的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,功用也将提高一倍。后来50多年芯片技能的开展证明晰摩尔定律根本上仍是精确的。

  1967年,美国使用资料公司(AppliedMaterials)建立,现已成为全球最大的半导体设备制作公司。2020财年全年营收172亿美元,研制投入达22亿美元,全球具有24000名职工,具有14300个专利。事务包含半导体、显示器、太阳能、柔性镀膜、自动化软件等。下图是使用资料公司半导体事务部分的总述。

  1967年,贝尔试验室江大原(DawonKahng)和施敏博士(Simon Sze)一起创造了非蒸发存储器。这是一种浮栅MOSFET,它是可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存(Flash)的根底。

  1968年,IBM公司的罗伯特.登纳德(Robert H.Dennard)创造单晶体管动态随机存取存储器(DRAM)。创造名称是“一个关于晶体管动态RAM单元的创造”。单晶体管DRAM是一个划时代的创造,它后来成为了计算机内存的规范。Dennard于1997年当选了国家创造家名人堂;2009年取得IEEE荣誉勋章,这是电子电气范畴的最高荣誉。

  跋文:1947~1968年的20多年是全球芯片技能和电子工业的起步期,这个时期内立异人才济济,深远影响的创造层出不穷。晶体管、集成电路、以光刻为中心的硅平面加工技能、CMOS电路、非蒸发存储器、单管DRAM电路等创造为芯片技能快速开展打下了根底,为芯片技能沿着摩尔定律前行铺平了路途。可是,人类在走上这条阳关大道之前,从半导体的知道和发现到晶体管的创造,在高低的路途上已探索了114年的时刻,其间包含痴迷电子管的40多年时刻。科技进步不可能一撮而就,它是一个逐渐知道、发现和成熟的进程。

  11.TMT研讨-爱好者,芯片战役-64:从台面工艺到平面工艺,打破量产化瓶颈,雪球网:,2020.8.14