芯片战争-70：第一个采用平面工艺的集成电路F型触发器 原创 科技真相 科技红利及方向型资产研究 6月28日 中国半导体产业的思考—随笔之《芯片战争——亮剑！国运之战》 芯片战争70—第一个采用平面工艺的集成电路F型触发器 （曙光初现，1960-1964年） 仙童推出了第一个采用平面工艺的集成电路，具有4个晶体管，5个电阻的F型触发器。德州仪器推出了采用平面工艺的51系列的直接耦合晶体管逻辑（DCTL）电路。标志着集成电路芯片开始大规模商用化应用的开始。全球第一款触发器。 正文： 第三章 曙光初现 第十一节：第一个采用平面工艺的集成电路F型触发器 到目前为止，制造集成电路有两种完全不同的方法：一种基于德州仪器公司基尔比的方法；另一种基于仙童半导体赫尔尼开发的平面工艺。虽然基尔比的工作受到了产业界的好评，但他的集成电路也面临着反复出现的问题，比如由于各种技术原因，优化某些部件（如电阻）是不可能的；将这些部件连接在一起既昂贵又困难；污染仍然是一个威胁。但是，赫尔尼的平面工艺解决了所有这些难题，并迅速成为制造集成电路的唯一途径。平面工艺由此迸发了极大吸引力，甚至德州仪器（TI）也不得不采用此项技术。 得益于天才的科学家赫尔尼，在全球半导体产业界中，仙童半导体公司成为了第一个采用平面工艺技术制作的集成电路的厂商。 赫尔尼发明了平面工艺技术之后，仙童公司成功的研制了全球第一个采用平面工艺技术制作的晶体管—2N1613平面晶体管。紧接着，采用平面工艺技术制作集成电路就摆到了仙童公司最紧急的日程之上。而领导这一工作的主要负责人就是拉斯特（Jay Lst），八位创始人之一。 1959年8月，仙童半导体公司的研究总监罗伯特.诺伊斯任命拉斯特（Jay Lst）为集成电路项目组负责人，主要的工作是以赫尔尼的平面工艺技术以及诺伊斯的集成电路发明专利为基础，开发平面集成电路。 拉斯特（Jay Lst）组建了集成电路项目组，团队成员主要有SamFok、Isy Haas、Lionel Kattner和James Nall等人。 集成多个互连设备在一个芯片上对工程师们提出了许多新的工程挑战，拉斯特项目组首先在威斯康构建一个由分立晶体管组成的多芯片触发器，并验证相关的电路特性。其次，设计相应的集成电路原型。 产品应用部的罗伯特.诺曼（Robert Norman）根据唐.法里纳所准备的电路特征数据，利用一种改进的直接耦合晶体管逻辑（DCTL）电路，设计了一个具有四个晶体管和五个电阻的触发器，因为它与早期的平面工艺技术最为兼容；最后才是重点工艺技术的攻关。 最主要的技术难点是器件之间的电气分离。拉斯特项目组从硅片的背面蚀刻一个深深的通道，并填充满不能导电的环氧树脂，采用这一方法，由此实现了器件之间的电气分离。 于1960年5月26日，拉斯特项目组成功生产出了第一个可以工作的单片集成电路，各个器件之间采用的是物理隔离来实现彼此之间的电气分离。但是这种方法并不适用于大规模化生产。 1960年9月27号，项目组哈斯（Haas）和卡特纳（Kattner）成功的开发了硼扩散技术的p-n结电隔离方法，并获得了良好的电气特性。 至此，第一个采用平面工艺技术的集成电路正式诞生了。 图：采用物理隔离的触发器 1960年，仙童公司在半导体工程会议上展示了采用平面工艺技术研制的集成电路的先进技术，并向在场的客户们提供了原型样品。 同年5月，仙童公司正式生产了第一个平面集成电路，一个具有4个晶体管，5个电阻的F型触发器。 图：仙童公司的F型触发器 1961年3月，美国纽约的IRE展览会上，仙童公司召开了记者招待会，正式“官宣”平面集成电路正式诞生，并以Micro-Logic为商标向公众推介了新产品——平面集成电路F型触发器。 当年度10月份，仙童公司又增加了5个电路，包括包括G型门函数、半加法器和半移位寄存器等，这些电路最初应用于美国宇航局阿波罗导航计算机中。 图：1961年3月仙童半导体发布的第一个商用化的平面集成电路产品 听闻老对手仙童公司发布第一款平面工艺集成电路的消息后，德州仪器大惊失色，立即以最快的速度全面转入并拥抱平面工艺技术，并在1961年10月份，正式推出了采用平面工艺技术进行沉积金属互联的集成电路——51系列的直接耦合晶体管逻辑（DCTL）电路，这是德州仪器第一款采用平面工艺技术的集成电路产品。 Jay TLast（杰伊.拉斯特），他于1929年10月18号出生于宾夕法尼亚，最后在罗切斯特大学获得光学学士学位，并在麻省理工学院获得物理学博士学位，之后于1956年加入肖克利半导体实验室。 1957年9月，他和七位同事一起离开肖克利半导体实验室，在加州帕洛阿尔托成立了仙童半导体公司，这是第一家生产硅台面晶体管和平面集成电路的公司。1958年，与罗伯特.诺伊斯（Robert Noyce）合作，拉斯特制造了第一台步进式重复照相机，并用它以摄影方式定义晶体管的特性，这个过程被称为光刻技术。 从1959年到1961年，他领导了一个团队，该团队基于赫尔尼（Jean Hoerni）开发的平面处理技术开发了第一批商业集成电路。1961年2月，他和Hoerni离开仙童成立了Teledyne公司的Amelco部门，目标是制造集成电路。 他在Teledyne公司一直待到退休。最后还创建和管理了希尔克雷斯特（Hillcrest）出版社。 IsyHaas（伊西.哈斯），1934年在土耳其伊斯坦布尔出生和长大，后来，他毕业于一家由美国人经营的学校—罗伯特学院，现在是土耳其最大的公立大学。 随后，他留学美国，就读于美国普林斯顿大学，1957年获得电子工程和固体物理学硕士学位。毕业后，1958年加入费城的雷明顿.兰德.尤尼瓦克，成为尤尼瓦克计算机家族的电路工程师。不久，他并移居西海岸，加入仙童半导体公司，并在维克.格林尼克（Vic Grinich）领导的部门从事器件测试和评估工作。 在1961年，他加入仙童公司第一个平面集成电路项目团队，并为平面集成电路的成功研制做出了贡献。之后，他加入了项目组负责人杰伊.拉斯特（Jay Last）等人共同创立的Amelco，这是属于Teledyne集团的一家子公司。 1968年，伊西.哈斯离开Teledyne集团，创办了自己的集成电路设计公司，直到1995年，依旧为各大半导体公司提供集成电路设计服务。在这一期间，1978-1979年，他在亚利桑那州钱德勒的通用仪器（GI）公司短暂的工作了18个月。 触发器，这是数字电路时代最为经典的一个电路。它是数字电路的一个重要组成部分，它可以充当一个电子切换开关，即使在初始电气控制信号停止后，也可以设置为保持打开或关闭。触发器可以允许电路记忆和同步的状态，从而允许执行顺序逻辑。从集成电路诞生开始，触发器就成为众多厂商研制的收款产品。 许多工程师都熟悉发明放大真空管的Lee de Forest，或发明晶体管的John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley的名字。然而，很少有人知道威廉.埃克尔斯和F.W.乔丹的名字，他们100年前在1918年6月发明并申请了一项触发器的专利。 二十年后的第二次世界大战，这款触发器开始大放异彩，装备于巨像计算机（theColosus Computer），在英国被用来破解德国战时密码，并成为了美国的ENIAC计算机的核心电路。 现代触发器是由集成电路中的晶体管制成的，数量已经不计其数。在此，随笔为朋友们展现一下全球第一款触发器，诞生于100多年前的经典，如下图。 图：全球第一款触发器电路，复制品 平面工艺诞生之后，现在全球产业界有了一种制造集成电路的方便方法，仙童半导体很快就开始开发它的第一批商用芯片，一系列称为电阻-晶体管逻辑（RTL）的逻辑芯片。逻辑集成电路是计算机和其他电子设备的“布尔决策者”，而这种情况在以前由连接在电路板上的离散电路组成。 RTL只是许多不同类型逻辑电路中的一种，它由晶体管和电阻组成，这些晶体管和电阻排列在一起，以实现非或非和功能。当然，今天的许多RTL已经过时，已经被其他更有效地执行这些功能的逻辑电路所取代。 仙童半导体的第一个逻辑芯片于1961年3月发布，由美国国家航空航天局（NASA）以及许多商业公司购买。而仙童的老冤家—德州仪器的版本大约在同一年的10月份出现，最终被应用在美国空军和民兵洲际弹道导弹上。 1962年，虽然德州仪器和仙童半导体仅售出几千块芯片，但这一年却是标志着集成电路芯片开始大规模商用化应用的开始。就此，全球半导体产业界正式从半导体晶体管时代进入了集成电路芯片时代，也正式奠定了平面工艺技术在全球半导体集成电路工业化大规模化生产中的决定性和不可替代的产业地位。 感谢您一直以来、长期持续关注《中国半导体产业的思考——随笔》和《芯片战争——亮剑！国运之战》相关系列报告以及敬请您持续关注后续系列！ 注1：本文部分图表、数据等引用于互联网、公司公告等； 注2：本文相关专利信息和说明等引用于互联网以及国家相关专利机构等； 注3：本文相关公司信息、产品等引用于互联网，外媒、公司公告等； 注4：本文相关行业数据、产业信息等来自国家统计局、工信部等；