集成电路(芯片)技术自1958年诞生以来，已有63年的发展历史。芯片技术是如何由开始的原始和不成熟，一步一步发展成为今天高科技皇冠上的技术明珠。本站将以连载的形式陆续刊登本文，第二期将从集成电路(芯片)的发明和光刻工艺是芯片制造的灵魂两个部分进行介绍。

4.集成电路(芯片)的发明(1958年，距今63年)

1950年，美国人拉塞尔.奥尔(Russell Ohl)和威廉姆.肖克莱(W.Shockley)发明了离子注入工艺，1954年肖克莱申请了这项发明的专利。离子注入是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速后注入到硅材料中去，实现对硅材料的掺杂，目的是改变硅材料的导电性能。离子注入是最早采用的半导体掺杂方法，它是芯片制造的基本工艺之一。

图11.简要的离子注入原理示意图

1956年，美国人富勒(C.S.Fuller)发明了扩散工艺；扩散是掺杂的另一种方法，它也是芯片制造的基本工艺之一。

图12. 一种热扩散装置示意图

离子注入工艺和扩散工艺是两种掺杂方法。离子注入用于形成较浅的半导体结(Junction)，扩散用于形成较深的半导体结。掺杂就像炒菜中添加调味料，它是对半导体材料的“添油加醋”。少量的其它物质掺进很纯的半导体材料中，使其变得不纯，对于半导体材料来说，其它物质就是杂质，掺入的过程就称为掺杂。掺杂是将一定数量的其它物质掺加到半导体材料中，人为改变半导体材料的电学性能的过程。

图13.两种半导体掺杂示意图

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)间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。诺伊斯是在基尔比发明的基础上，发明了可商业生产的集成电路，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。

基尔比因为发明集成电路而获得2000年的诺贝尔物理学奖。诺伊斯是仙童半导体公司(1957年成立)和英特尔公司(1968年成立)的创办人之一，他是伟大的科学家，是集成电路史上重要人物。遗憾的是，他之前在肖克莱实验室工作时，发明“负阻二极管”得不到老板支持而终止，后来日本科学家江崎玲于奈(Leo Esaki)在此项发明上获诺贝尔奖；他于1990年逝世，未等到2000年与基尔比分享当年的诺贝尔物理学奖，两次均与科技最高荣誉无缘。但是，他们两人都被誉为是集成电路之父。

图14.基尔比和诺伊斯与他们发明的芯片

1959年，贝尔实验室的韩裔科学家江大原(Dawon Kahng)和马丁.艾塔拉(MartinM.Atalla)发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），这是第一个真正的紧凑型MOSFET，也是第一个可以小型化并实际生产的晶体管，它可以大部分代替JFET。MOSFET对电子行业的发展有着深远的影响。

图15.江大原和艾塔拉发明了MOSFET

5.光刻工艺是芯片制造的灵魂 (发明距今61年)

1960年，卢尔(H.H.Loor)和克里斯坦森(Christenson)发明了外延工艺。外延是指在半导体单晶材料上生长一层有一定要求的、与基片晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸生长了一层。

图16.硅气相外延生长装置原理示意图

1960年，光刻工艺是首次应用在芯片制造中的吗？这是一个重要问题，需要本文重点讨论。《光刻如何一步一步变成了芯片制造的卡脖子技术？》一文指出，光刻工艺是芯片制造的灵魂技术。正是光刻工艺的出现，才使得硅器件制造进入到了平面加工技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。

泛指意义上的光刻技术发明，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)的感光材料试验和刻蚀实验，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造过程中的光刻工艺技术。

芯片制造的光刻工艺到底是什么时候发明的？笔者发现网上这方面的文章很少，即使有文章介绍，也都是一笔带过。网上资料主要有两种说法，第一种说法是，1960年卢尔(H.H.Loor)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺[4]。第二种说法是，1970年斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺[5]。两种说法中光刻发明时间竟相差10年之久。网上也很难查到卢尔、卡斯特兰尼和斯皮勒如何发明光刻工艺，甚至难以查到他们的生平介绍。

笔者更相信1960年应是光刻工艺发明的年份。因为，如果光刻工艺是1970年才发明，那么1958～1970年这十多年时间里，贝尔实验室、仙童公司、TI、RCA和Intel等先驱公司的半导体产品(双极、FET、MOSFET晶体管)和芯片是很难制造出来的。

笔者也相信仙童公司应该是光刻工艺的发明地。1958年仙童公司几位创始人从照相机商店购买了三个16毫米镜头，制作了一个步进和重复照相装置，用来制作掩模，并对掩模板、光刻胶进行了改进。1959年，罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)在日记中提出一个技术设想，“既然能用光刻法制造单个晶体管，那为什么不能用光刻法来批量制造晶体管呢？”，“把多种组件放在单一硅片上将能够实现工艺流程中的组件内部连接，这样体积和重量就会减小，价格也会降低”。为此，仙童公司开始将光刻工艺尝试应用于晶体管批量制造。诺伊斯提出了“平面技术”的设想，琼.赫尔尼(Jean Hoerni)就是将这一设想转换为实际可行的“平面处理”技术的那位大牛人[11]。

图17.赫尔尼及所编写的平面处理工艺技术文档

从光刻机的发展年代来看，上世纪60年代是接触式光刻机、接近式光刻机；70年代是投影式光刻机；80年代是步进式光刻机；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]，可见芯片制造的光刻工艺不可能是1970年才发明出来。

离子注入、扩散、外延、光刻等工艺技术，加上真空镀膜技术、氧化技术和测试封装技术，构成了硅平面加工技术的主体，通俗地说是构成了芯片制造的主体。没有光刻技术就没有今天的芯片技术和产业，也就没有我们现在的信息化和智能化社会。

(未完待续)

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