“集成电路”发明专利之争

上次我们讲到了肖克力晶体管实验室的“八叛徒”集体出走,创立美国仙童半导体(Fairchild)。1958年8月,仙童半导体公司在洛杉矶举行的WESON展会上宣告,他们成功地做出了商用的扩散硅晶体管,一举震惊了业界。制造出来的晶体管数每天都在不断地增长,仙童半导体公司的工厂每天能制造出700个晶体管,每个能卖到40~50美元。整个9月,仙童半导体公司收到了总额为65000美元的NPN型晶体管订单,没多久就达到了50万美元。

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晶体管的稳定性问题是在仙童半导体公司大规模出货后发现的。

1958年底,越来越多的客户投诉晶体管不稳定。

1959年3月12日,仙童半导体的霍尼做出了第一个平面晶体管,各项指标远超平顶晶体管。众人用铅笔反复敲打,它依然能稳定地工作。美国军方对这个新产品很满意,要求剩下的货全部使用平面晶体管。

平顶晶体管与平面晶体管对照图

平顶晶体管像一座凸起的火山(左);平面晶体管则是纯平结构(右)

随着硅晶体管的产量急剧增加,仙童半导体公司原有的产能已经不够用了,于是在附近盖了一座新工厂,以生产需求火爆的硅晶体管。

仙童半导体公司由此成为加州第一家蓬勃发展的半导体公司。1971年,一位《电子新闻》(Electronic News)的记者唐·霍夫勒(Don Hoefler)以“硅谷”为题目写了一系列文章,从此有了“硅谷”这个地名。多年后,在仙童半导体公司曾经的厂房地基上盖起了新的办公楼群,其中一座属于谷歌。

计算机、通信设备中使用的晶体管越来越多,不同元件之间的互连线更多,一块电路板上往往要焊接成百上千条连接线,而晶体管的尺寸又如此之小,受限于“晶体管女孩”们的人工操作,很容易出错。

就这样,电路系统中的元件数量很难再增多。如果不解决这个问题,未来电路中晶体管的数量最多有数千个,很难再突破。

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面对“数字暴政”的问题,仙童半导体公司正忙着应付雪片般的订单,反而是位列晶体管第一梯队,占据20%晶体管市场份额的德州仪器公司先行动了起来。德州仪器公司与美国军方合作了一个“微型模块”(micromodule)项目,并从美国军方那里得到了一笔资助。他们的目标是将电路做小,从而在电路板中放下更多元件。

1958年夏天,杰克·基尔比和张忠谋同时加入了德州仪器。

1958年,德州仪器公司的基尔比认为与其用碳粉、铝片、铜丝等各不相同的材料去分头制造电阻器、电容器和电感器,不如用廉价的硅来制造一切。提出了“单片集成”的想法,主要是指用硅制作所有的电路元件并将其集成在硅晶圆上。基尔比做出了第一块用于演示的集成电路,但是没有解决元件互连的问题。

1959年,仙童半导体公司的霍尼发明了平面晶体管。在此基础上,诺伊斯想到,可以利用平面工艺将所有元件都集成在硅晶圆的平面上,并通过晶圆上的金属线互连起来,从而解决互连问题,发明了可大规模制造的集成电路。

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但是,集成电路这个想法跟大多数人的直觉相抵触,成本高、制造困难,业界普遍不看好其应用。贝尔实验室等研究机构和公司提出了许多缜密的分析来论证集成电路的不可行性,从而“理性”地与这一重大发明失之交臂。

基尔比实现的第一个集成电路-移相振荡器电路

在1959年3月6日的无线电工程师协会会议上,德州仪器公司发布了基尔比做的集成电路,各个元件之间仍用芯片外的金线连在一起。

1960年9月27日,第一批实用的触发器芯片下线了。1961年3月,“微逻辑”芯片发布。仙童半导体公司在广告上说,这种集成触发器电路只有一角美元硬币上的字母D那么大。

1961年4月26日,基尔比接到了来自华盛顿的一个电话,被告知集成电路的专利已经被正式授权—不过不是给了德州仪器公司,而是给了仙童半导体公司。两家公司拉开了一场旷日持久的专利官司大战。

诺伊斯提出的芯片互连的步骤

在专利诉讼中,有一项原则是时间优先。德州仪器公司的律师提交了证据:基尔比的实验室记录本上记录的时间是1958年7月24日;仙童半导体公司提交的最早记录是诺伊斯的实验室笔记本,时间是1959年1月23日。这下,专利授权出现反转,集成电路的专利转而被授予了德州仪器公司。

这一次轮到仙童半导体公司提出上诉了。他们检查了基尔比的专利申请书,找到了一个关键漏洞,那就是基尔比提交的集成电路示意图上的飞线,依照基尔比提供的手工连线的方法是无法制造出实用的集成电路的。仙童半导体公司的律师抓住了这一点,一下就击中了要害。

仙童半导体制作的第一片实用的集成触发器电路

德州仪器公司不甘心,他们从基尔比的申请书的最后一段中找到了回击的有力证据,那是基尔比在提交专利前一刻临时补充的一句:“除了使用金线实现电气连接,也可以用其他方式提供连接。例如,可以使二氧化硅蒸镀到半导体晶圆表面。类似金这样的金属可以放置到氧化物上以实现电气连接。”

德州仪器公司的律师宣称基尔比已经想到了解决互连问题的方案,那就是在二氧化硅层上放置一层金属。天平又倾斜向了德州仪器公司。

但是仙童半导体公司的律师则抓住了“放置”这个字眼,质问德州仪器公司的律师,在集成电路工艺中,金属是“粘到”氧化层上的,而不可能是“放置”上去的,所以基尔比并没有教会人们如何制造集成电路。

就这样,两家公司聘请的律师在字眼问题上你争我抢,交锋了十几个来回,导致两家公司缴纳了大量的律师费。

最终在法庭外,德州仪器公司和仙童半导体公司达成了和解,授权对方使用自己的技术,即德州仪器公司允许仙童半导体公司使用将不同元件“集成”在一起的方法,而仙童半导体公司则允许对方使用不同元件“互连”的方法。最后的诉讼结果已经不重要了,因为两家公司已向全球多家公司收取了数亿美元的使用许可费。

至于电气隔离的方法,德州仪器公司不认同斯普拉格电气公司的发明,发起了诉讼。斯普拉格电气公司的领导对于丢掉这个重要的专利一点都不上心,最后还是莱霍韦茨自掏腰包坐飞机去了华盛顿应诉。在法庭上,莱霍韦茨单枪匹马地面对德州仪器公司十几人组成的强大阵容,推翻了他们的诉讼请求,捍卫了自己的成果。

在这短短的一年时间里,德州仪器的基尔比首先提出并实现了单片集成技术,而仙童半导体的诺伊斯首先提出并实现了互连技术,斯普拉格电气公司的莱霍韦茨则首先提出了电气隔离技术,这三项技术组合起来,成为集成电路技术的基石。

2000年的诺贝尔物理学奖颁给了集成电路的发明者基比尔,这一年,全世界生成了890亿颗芯片。

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不过,我们也不应当忘记仙童半导体霍尼的平面工艺,是它推倒了诺伊斯头脑中最关键的一块多米诺骨牌。正如有了平整的纸张和印版,才有高效的印刷术;有了平面工艺,才会有大规模光刻的集成电路,由此推动了计算机、智能手机和互联网等一连串变革。

晶体管与集成电路应用之争

“民兵II”洲际导弹是第一个大规模使用芯片计算机的系统,德州仪器公司赢得了这份订单,负责提供二极管-晶体管逻辑(简称DTL)芯片。此前,“民兵I”洲际导弹使用晶体管搭建的计算机,重达约28千克,而采用芯片的“民兵II”洲际导弹上的计算机重量降低到了约11.8千克。

美国和苏联的竞争延伸到了载人航天领域。1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林(Yuri Gagarin)实现了人类第一次太空航行。刚刚上任4个月的肯尼迪总统宣布了“阿波罗登月计划”,投入的资金更是“曼哈顿计划”的5倍。

仙童半导体公司赢得了飞船导航计算机上的芯片订单,仅仅1965年就销售了20万颗“微逻辑”电阻-晶体管逻辑(简称RTL,与后文的寄存器传输级缩写相同)芯片

1964年,火星探测器“水手IV号”上也安装了仙童半导体公司的“微逻辑”芯片。

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而在航天与军事以外的领域,芯片的遭遇却截然不同。

那时,一块简单的触发器集成电路要100美元,而一个晶体管已经降到了几美元,用几个晶体管搭建触发器成本要低得多,业界认为制造集成电路很不经济。除此之外,集成电路的良品率很低,一片晶圆上的大部分芯片都是不能工作的废品,就像蒸好一笼包子,却要扔掉一大半,这大大增加了成本。

在仙童半导体公司内部,平面晶体管正在火热销售,而集成电路的出现则在公司内部引发了竞争。客户如果买了集成电路,就不会再买平面晶体管。如果仙童半导体公司在集成电路上增加投入,就会挤占原本分配给晶体管的资金。

1959年,美国电话电报公司连接的电话数量已达一亿部。贝尔实验室致力于发展可靠的、能在交换机等设备里工作40年之久的单个晶体管。贝尔实验室不认为集成电路代表着未来,于是选择了另外一条“微型模块”的道路。虽然贝尔实验室手握大量芯片相关核心技术(扩散法、硅提纯、光刻、硅晶体管、氧化硅层、金属淀积等),但仍是错失了这一重大发明。

在当时,集成电路这个想法跟大多数人的直觉相抵触,成本高、制造困难,业界普遍不看好其应用,晶体管大行其道。在仙童半导体内部,由于内部压力以及其他创始人的不满,1961年拉斯特和霍尼从仙童半导体公司辞职,创办了阿梅尔克公司(Amelco),专攻集成电路,仙童半导体的8位创始人逐渐分道扬镳。

注:本文节选自汪波老师的《芯片简史》

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