日常生活先有雞後有蛋,半導體世界為何是先有晶片後有光刻機?

2020-11-25 魔鐵的世界

日常生活中,大家都知道是「雞生蛋,蛋孵雞」,因此邏輯鏈條是雞先於雞蛋出現(生物科學邏輯鏈條不在本文討論範圍)。在半導體行業,由於光刻機是用來製造晶片的,因此免不了有人認為,先有光刻機,後有晶片。

這個看法是錯誤的。

事實是,先有晶片,後有光刻機。

這個顛覆常識的故事,還要從晶片和晶片製程工藝的發明說起。

晶片(集成電路,簡稱IC)是由德州儀器的科學家傑克.基爾比和仙童半導體的總經理、英特爾公司聯合創始人羅伯特.諾伊斯共同發明的,這一信息,很多人都知道。

傑克.基爾比
基爾比發明的晶片的概念產品

但很多人不知道的是,晶片雖然是兩人共同發明,實際是獨立完成,而且兩人的發明區別很大:

基爾比發明晶片的時間是1958年6月,諾伊斯展示的概念產品為1959年8月,時間上的差異,導致德州儀器和仙童半導體為爭奪專利權打了多年官司,到1966年雙方才和解並達成協議,承認都擁有晶片的發明專利,從此一起共同收取專利授權費;基爾比發明的是概念產品,諾伊斯發明的是可以工業化量產的實用產品,在1960年5月底試製成功,採用「平面處理工藝」製造。

仙童半導體時期的羅伯特.諾伊斯

說到這裡,有兩個重點需要點明,一個是晶片發明的時間為1958年6月,另一個是「平面處理工藝」,由仙童半導體公司的天才員工瓊.赫爾尼在1959年1月發明,也是一項重大發明,它和諾伊斯的發明,一起構成現代晶片(集成電路)產業的基礎。

簡而言之,從時間節點上看,晶片要早於「平面處理工藝」半年多,而光刻工藝又屬於「平面處理工藝」中的一個環節,晶片自然早於光刻機面世,也就是說「雞蛋」先於「雞」出現。

為便於理解光刻工藝,了解光刻機的淵源,我簡單介紹整個「平面處理工藝」的流程:

電晶體設計師用手工畫出很大的布局圖(相當於現在的晶片設計),對其照相縮微成一張小小的透光片(相當於現在的光掩膜);把矽晶圓切成薄片,塗上感光化學材料,用一束強光穿過透光片,將晶片圖案投射到矽片上,片上黑暗部分的區域和線條會在晶圓上形成未曝光區域,這個過程就是光刻工藝;用酸把晶圓上未曝光的區域蝕刻掉,然後按要求摻入半導體雜質(擴散工藝),再鍍上金屬導體或絕緣氧化層,得到電晶體;將電晶體切割、封裝;

光刻示意圖

從赫爾尼的發明「平面處理工藝」可以看出,光刻機的本質,是把電晶體設計圖(現在一般是晶片設計圖)通過投影的方式,「刻」到矽片上,從而把製造電晶體變得像印刷書籍那樣高效、快捷,使電晶體的價格可以無限降低。今天製造一個電晶體的成本已經低於印刷一個字母。

可以說,沒有「平面處理工藝」就不可能有量產的晶片,沒有量產的晶片,戈登.摩爾就歸納不出「摩爾定律」。

由於光刻工藝處於整個流程中非常關鍵的位置,光刻解析度直接影響晶片良率,所以光刻機也逐漸成為最重要的半導體設備。

需要強調的是,「平面處理工藝」剛發明時的半導體生產其實相當簡陋,如果乘坐時光穿越機回到上世紀60年代,你會發現矽谷的絕大部分半導體工廠車間和高科技沾不上邊,生產主要是手工操作,生產線大量僱傭女工(她們被歸於「無技術性的勞動力」),根本見不到自動化流水線的影子。具體可參考下圖背景中正在裝配電晶體的女工。

羅伯特.諾伊斯(右一)

「平面處理工藝」雖然被發明出來,但光刻機相當簡陋。實際上,仙童半導體公司用該工藝製作電晶體時,用到的光刻設備都是改造自普通的照片曝光設備,戈登.摩爾還磨製過鏡頭。

隨著晶片開始逐漸替代半導體分立件,複雜度上升,電晶體越來越小,半導體工廠自製的光刻設備已經難以滿足生產要求。於是,半導體設備的設計和製造逐漸由專業公司完成。

1970年代,美國GCA開發出第一臺分布重複投影曝光機,這是第一臺專業的光刻機,此時離晶片發明已經過去了十多年。

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