半导体前端工艺第一篇：计算机、晶体管的问世与半导体

无可否认，不论是半导体技术还是其产业本身，都已经成为所有市场中最大的产业之一。全球媒体、企业和政府也纷纷把目光投向了半导体工厂的下一个建设地。而每一次的技术革新都会进一步增加对智能设备的需求，半导体芯片的重要性也随之变得愈加突显。

然而，人们对半导体的变迁史和崛起却未必同样熟悉。从家用电器到智能手机，半导体是驱动电子设备不可或缺的元件。本期文章就来追溯一下这一核心元件的起源，了解一下它是如何成为我们日常生活的重要组成部分的。

人类的欲望: 计算机的诞生

从家庭到职场，人类一直在探索可以将各种场景中的日常活动简单化的方案。这也让技术设备的不断升级成了创新思想家们（Innovative thinker）一直关注的焦点。人类的这种欲望促使只能做简单运算的机器不断升级为更实用、更精密的设备。

从古至今，人类从未停止过发明机器的脚步。1871年查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的分析机（Analytical Engine）就是最具代表性的实验创举。只要在分析机（Analytical Engine）插入名为穿孔卡片（Punched card/Punch card）的输入信息载体，就可以进行任何数学运算：分析机读取穿孔卡片的指令后，反复进行各种数学运算，最后在机器的另一头输出其结果值。就跟红白机（Famicom）的运作原理一样，想玩什么游戏，就插什么游戏卡。

虽然分析机没有最终完成，却给我们带来了启发。分析机具备了现代计算机的所有设计思想：穿孔卡片和输出设备相当于现在的存储器。所以说分析机就是CPU*的雏形。

查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）设计的分析机是用蒸汽作为动力源的。简言之，就是一台用金属和木材制作存储器和CPU，并用蒸汽机驱动的计算机。可见，从那时起，人们已经开始形成有关计算机运作原理的初步思想了，但没有把计算机与“电路”挂钩。那么，就让我们来看看电路是如何成为现代计算机核心元件的吧。当时，分析机的出现并没有带来石破天惊的震撼，也没有被广泛接受，但如今，以电路为核心的计算机却完全颠覆了世界。

*CPU：全称为(Central Processing Unit)，中央处理器，相当于计算机的大脑。

电控计算机

以电路为基础的设备，比蒸汽、人力和水力驱动更先进。因为它可以更快、更高效地控制信号。以蒸汽驱动为例，蒸汽必须要达到一定水平才可以运转机器，除了反应速度慢之外，高压输送更需要使用厚实的输送管，大大降低了功效。为了更形象地说明，假设我们要让一扇门的开关受粗绳拉动的控制：以蒸汽为动力源的话，我们需要拉动绳索以打开锅炉阀门并驱动蒸汽，随后更要等上一段时间，待蒸汽到达能推开门的压力强度；然而，如果以电力为动力，只需一个按钮和发动机就够了，机器的体积变小了，还能大大提高功效和反应速度。

图1:  蒸汽驱动自动门（左）& 电驱动自动门（右）

电的发现让人类用电控制计算机的想法开始萌生，并成为了当时的一大主流思想。很多科学家开始尝试用电力来驱动计算机，其中电子数字积分计算机（ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer）就是这种尝试的一大成果。与用齿轮和蒸汽动力来驱动的分析机不同，ENIAC采用了真空电子管和各种电路来驱动计算机。从“真空电子管”这一名称就不难看出，ENIAC的动力源正是电力。

图2:  电子数字积分计算机（ENIAC）

ENIAC的体积庞大，足以占据一个房间的面积。如此巨型的计算机，耗电量也达到了170kW，与同时使用170台微波炉的耗电量相当。当然，不愧于其庞大的体积和耗电量，ENIAC解决了当时的不少问题。相比咯吱作响“慢悠悠”运作的齿轮，采用17万根真空电子管的ENIAC也有着算是“破天荒”的运算速度。另外，ENIAC为氢弹的发明和仿真方法学 （Simulation Methodology）的创立也做出了不可磨灭的贡献。

然而，众所周知，ENIAC的性能其实还赶不上20世纪90年代的手提电脑。为了驱动一台低性能的电子计算机，功耗竟等同于同时运作170台微波炉，简直难以置信。而且，如此庞大的身躯，谈何普及？退一万步说，就是把ENIAC的体积缩小到其十分之一，也无济于事。毋庸置疑，相比上一代的蒸汽驱动设备，ENIAC在性能方面的确进步了不少。但想将其普及到“人手一台”，在体积和效率方面还有很长一段路要走。显然，ENIAC无法为人类创造其预想中的未来。世界呼唤进一步的创新，晶体管应运而生。

晶体管的问世

上文说道ENIAC采用了真空电子管，那这些电子元件的作用是什么呢？当时，人们已经明白只要能控制信号就可以制成运算机器。上文谈到的蒸汽自动门案例就是最好的证明：用粗绳（工具）控制蒸汽（信号），并设置了“只要拉绳就开门”的指令。电驱动自动门作为蒸汽驱动的升级版，其运作原理也是一样，利用开关来控制流入引擎的电流，以此来完成对门的操作。

归根到底，其实计算机就是在蒸汽自动门的基础上，增加了大量的输入和输出，然后在其内部安装数千个输送管，连接形成各种复杂的逻辑结构。蒸汽自动门只有开门和关门的作用，但试想一下，在此基础上，还可以进一步延伸，比如用一根粗绳同时开两扇门，或设计一款人站在门口时不会关闭的安全门等。以此类推，计算机就是在蒸汽自动门的基础上，不断叠加升级的功能。“粗绳”和“蒸汽输送管”就相当于真空电子管。

图3:  一个简单操作就可以同时打开几扇门的蒸汽驱动自动门 & 经两人同意才可以打开的自动门

如果想进一步升级“蒸汽计算机”的功能，改善整体性能，该怎么办？我们可以增加蒸汽管数量，形成更多的功能，或安装压力更大、温度更高的锅炉，提高反应速度等。原理虽说很简单，但现实操作起来却谈何容易？

蒸汽管本身就很大，即使只添加一条管道，增加的体积也相当可观；想提高锅炉的性能，不仅需要大量的能源，危险性也会大大增加。当时，真空电子管是人类找到的最好的替代方案。它由电力驱动，没有像高压锅炉爆炸那样的危险，且运作速度也达到了每秒数十次。当然，真空电子管的缺点就是庞大的耗电量，因此个别真空电子管会经常损坏。为了制造更好的计算机，就要寻找比真空电子管更胜一筹的元件。

1947年，晶体管诞生了。晶体管可以用微小的电量控制大量电流的流动，可谓是颠覆性的创造。科学家发现，只要使用以下两种半导体元件，就可以轻而易举地连接或断开信号（参见下图）。尽管其结构有些复杂，但原理却跟用粗绳控制蒸汽输送的道理一样。在晶体管诞生的那一年，人类发明了一款名叫 BJT*的产品，一直沿用至今。当然，晶体管的问世，也让半导体这一材料开始映入人们的眼帘。

*BJT：双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor），即通过一定的工艺将半导体内的P型半导体和N型半导体结合在一起（PN结合）制成的晶体管。

图4:  晶体管的结构：使用N型和P型两种半导体。

所有人的半导体：MOSFET的创新与制造技术

1959年，贝尔研究所的研究员默罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）博士和姜大元（Dawon Kahang）博士共同发明了一种金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor）。两人在硅晶圆上形成了两种半导体层，并在此之上堆叠金属制成了平面型的晶体管。MOSFET的运作原理与上一代晶体管虽有些不同，但使用方法却大同小异，其最大亮点就是生产率。

图5:  姜大元博士的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）模型结构

得益于MOSFET的平面式结构，我们可以在硅晶圆上同时制造出好几个MOSFET。这意味着，只要把单个MOSFET的大小控制好，在相同面积的晶圆上可以多制作数十倍的晶体管，还可以直接把单个的MOSFET连接在一起。假设采用BJT晶体管制作CPU，即使BJT的制作过程再高效，想把数亿根BJT连接成CPU，仍然需要重复焊接以及将其固定在基板上的过程。相反，MOSFET可以一次性达到数亿根晶体管结合好的状态。正因为如此，“在硅晶圆上形成的MOSFET集合”在物理学上被“剥夺”了“半导体”的头衔。

接下来，我们将一探MOSFET的制作过程。我们常说，建造一个半导体工厂需要投数万亿（韩元）。出乎意料的是，如此的高投入其实就是为了以低成本生产MOSFET。那么半导体工厂是如何采用曝光（Exposure）、蚀刻（Etching）、沉积（Deposition）等半导体领域最常见的工艺来制作“廉价”的MOSFET的呢？让我们来一探究竟吧！

通过本篇文章我希望读者们能分清技术研发的目的与工具：科学家的目的是发明计算机，可以传递信号的电流是工具。MOSFET是目前以电力为基础的最顶级的“工具”，这是因为其制造工艺可以实现晶体管的量产。