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集成电路简要概述
- by wittx 2021-07-03
集成电路的发展历程
1883年，发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了，他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统，没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利，并命名为“爱迪生效应”。
1904年，世界上第一只电子二极管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了，这使爱迪生效应具有了实用价值。弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。
1906年，美国发明家德福雷斯特（De Forest Lee），在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管．
德福雷斯特
1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角。
美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿
1958年9月12日，德州仪器（TI）工程师杰克·基尔比成功地用热焊方式把元件以极细的导线互接，将20多个元器件集成在一块面积不超过4平方毫米的半导体材料上（锗）。1959年2月6日，杰克·基尔比向美国专利局申报专利，这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此被命名为“集成电路”。
基尔比用锗做出集成电路的消息传到硅谷，仙童半导体公司的创始人罗伯特·诺伊斯提出：可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产。6个月后，诺伊斯就发明了世界上第一块用硅制作的集成电路，比锗集成电路更实用、更容易生产，也申请了发明专利。
这个发明使得仙童半导体公司原来占地170平方米的庞大计算机可以被一块只有火柴盒大小的微处理器所代替。时值冷战高峰期，美苏进入太空竞赛阶段，苏联把宇航员送上了太空，美国奋起直追，急需将各种电子设备小型化，这给仙童带来了巨大的发展机会。
1968年仙童公司的销售额从原来的几千美元上升到1.3亿美元。仙童公司被称为“半导体行业的西点军校”，正如乔布斯所比喻的那样：“仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”
1968年罗伯特·诺伊思和摩尔等科学家离开了仙童公司，创办了英特尔公司。
1958年和杰克·基尔比同年进入德州仪器工作的有一个来自中国台湾的年轻人，27岁的张忠谋，美国麻省理工学院机械系硕士毕业，是德州仪器第一个中国雇员。
入职之后他又赴美国斯坦福大学电机系深造，获博士学位，并重回德州仪器工作。到1972年，张忠谋已升任德州仪器资深副总裁，是德州仪器仅次于董事长和总裁的三号人物。
1985年，张忠谋因德州仪器不采纳其扩大半导体业务投资的建议等原因，辞去工作，返回台湾，并出任台湾工业技术研究院院长。1987年，张忠谋在台湾新竹科学园区创建了台湾积体电路制造公司（即台积电）。
彼时的半导体企业都是全能公司，垂直一体化整合经营，从芯片的设计、制造、封装测试到销售，都由自己完成，一个公司就是一条完整的产业链，德州仪器、英特尔等巨头都是这个模式，称为IDM模式（Integrated Device Manufacturer整合设备生产商）。
在这种情况下，行业技术壁垒相当之高，现有芯片公司对潜在进入者相当警惕，要创办一个全新的垂直一体化的全能半导体公司几乎不可能。张忠谋另辟蹊径，向巨头们提出了一个合作的建议，台积电只做制造这个环节，不碰设计、封测两头的环节，只为大家做代工，而不谋求发展成为全能的IDM芯片公司，不和大家竞争。
1963年，日本电气公司便获得了仙童半导体公司的平面技术授权，而日本政府则要求日本电气将其技术与日本其他厂商分享。以此为起点，日本电气、三菱、夏普、京都电气都进入了集成电路行业。
20世纪70年代，在美国施压下，日本被迫开放其半导体和集成电路市场，而同期IBM正研发高性能、微型化的计算机系统。1974年6月日本电子工业振兴协会向日本通产省提出了由政府、产业及研究机构共同开发“超大规模集成电路”的设想，1976~1979年，日本政府组织了联合攻关计划，即VLSI。4年间取得上千件专利，大幅提升了日本的集成电路水平，为日本20世纪80年代的集成电路竞争铺平了道路。
1986年日本半导体产品已占世界市场的45%，超越美国成为全球第一半导体生产大国。1989年，在存储芯片领域，日本企业的市场份额已达53%，而美国为37%。在日本企业的巅峰时期，日本电气、东芝和日立三家企业排名动态随机存储器领域的全球前三，其市场份额甚至超过90%，而美国德州仪器和镁光科技则苦苦支撑。
1986年10月，韩国政府开始执行《超大规模集成电路技术共同开发计划》，要求以政府为主、民间为辅，投资开发DRAM芯片核心基础技术，投入资金1.1亿美元扶持电子技术的发展。1984年，三星公司完成了64K DRAM芯片的研发，当时其研发速度还落后于美国数年; 1988年，三星宣布完成了4MDRAM芯片的设计，此时其研发速度仅比日本晚6个月; 1992年，三星开发出了64M DRAM芯片，随后开始向惠普、IBM等美国大型企业提供产品，实现了在技术和市场上赶超美日的目标。短短的几年时间，已经将技术发展达到了世界的领先水平。
早在70年代，三星只不过是一家生产家电的小企业，伴随着国家对于芯片发展的扶持和各国芯片的发展状况，三星决定涉足芯片产业，李秉喆一度向美国镁光及日本夏普派遣员工，以获得半导体产业的初期技术，但是过程非常不顺利。
因此，政府出面，上世纪50~60年代前往欧美发达国家留学的韩国学子，在韩国政府的吸引政策下，陆续回到韩国加入产业化过程，三星招聘了近140名人才，并用了将近2年时间向三星的工程师及高管们传授半导体产业的经验及技术。
1983年，历经多年努力，三星的首个芯片工厂在京畿道器兴地区落成，并在投产后很快便开始量产64位芯片。很快，三星开发了256位芯片、486位芯片，并正式进入全球芯片市场的竞争中。
1996~1999年期间，全世界DRAM芯片的年营销额呈现负增长态势时，三星却在此时积极兴建它的四个分厂，该策略对日后三星DRAM芯片产值的丰收起到了相当大的作用。
三星之所以成功还有一个重要的原因，就是其创业者的企业家精神，芯片产业是一种典型的技术密集、资本密集型产业，其很难跳过一代芯片、进入下一代；而进入下一代的研发，则需要非常高的人力资本及研发成本，才能触发量的优势。
集成电路的制造
集成电路的制造过程主要分为五个制造阶段
- 硅片制备
- 硅片制造 测试分拣
- 装配与封装
- 终测
（1）硅片制备。
首先是将硅从矿物中提纯并纯化，经过特殊工艺产生适当直径的硅锭。然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片。最后按照不同的定位边和沾污水平等参数制成不同规格的硅片。本文讨论的主要内容就是硅片制备环节。
（2）芯片制造。
以下视频来源于
回形针PaperClip
裸露的硅片到达硅片制厂，经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等步骤，硅片上就刻蚀了一整套集成电路。芯片测试/拣选。芯片制造完后将被送到测试与拣选区，在那里对单个芯片进行探测和电学测试，然后拣选出合格的产品，并对有缺陷的产品进行标记。
（3）装配与封装。
硅片经过测试和拣选后就进入了装配和封装环节，目的是把单个的芯片包装在一个保护壳管内。硅片的背面需要进行研磨以减少衬底的厚度，然后把一个后塑料膜贴附在硅片背面，再沿划线片用带金刚石尖的锯刃将硅片上每个芯片分开，塑料膜能保持芯片不脱落。在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包，再将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。
（4）终测。
为确保芯片的功能，需要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环节的特性参数要求。
集成电路制造中的职业
半导体制造业中职业途径主要分为三个主要方面：技师 工程师 管理人员
技师：负责操作硅片制造设备，负责设备简单维护，工艺及设备基本故障查询。
设备工程师：负责诊断维护设备，优化设备的性能，减少设备宕机时间
工艺工程师：负责分析制造工艺和设备性能优化参数设置。
现场服务工程师：一般是设备供应商，负责设备安装，后期设备维修保证设备有效生产。
良率工程师：利用测试设备以及分析数据，从事缺陷分析工作，找出引起缺陷根源，提高良率。
厂务工程师：负责工厂内部化学材料 净化空气以及常用设备设施提供工程支持。
主管/经理：在硅片制造厂，将技术技能和人事管理技能结合在一起以达到公司组织目标。
集成电路的发展历程
1883年，发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了，他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统，没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利，并命名为“爱迪生效应”。
1904年，世界上第一只电子二极管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了，这使爱迪生效应具有了实用价值。弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。
1906年，美国发明家德福雷斯特（De Forest Lee），在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管．
德福雷斯特
1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角。
美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿
1958年9月12日，德州仪器（TI）工程师杰克·基尔比成功地用热焊方式把元件以极细的导线互接，将20多个元器件集成在一块面积不超过4平方毫米的半导体材料上（锗）。1959年2月6日，杰克·基尔比向美国专利局申报专利，这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此被命名为“集成电路”。
基尔比用锗做出集成电路的消息传到硅谷，仙童半导体公司的创始人罗伯特·诺伊斯提出：可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产。6个月后，诺伊斯就发明了世界上第一块用硅制作的集成电路，比锗集成电路更实用、更容易生产，也申请了发明专利。
这个发明使得仙童半导体公司原来占地170平方米的庞大计算机可以被一块只有火柴盒大小的微处理器所代替。时值冷战高峰期，美苏进入太空竞赛阶段，苏联把宇航员送上了太空，美国奋起直追，急需将各种电子设备小型化，这给仙童带来了巨大的发展机会。
1968年仙童公司的销售额从原来的几千美元上升到1.3亿美元。仙童公司被称为“半导体行业的西点军校”，正如乔布斯所比喻的那样：“仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”
1968年罗伯特·诺伊思和摩尔等科学家离开了仙童公司，创办了英特尔公司。
1958年和杰克·基尔比同年进入德州仪器工作的有一个来自中国台湾的年轻人，27岁的张忠谋，美国麻省理工学院机械系硕士毕业，是德州仪器第一个中国雇员。
入职之后他又赴美国斯坦福大学电机系深造，获博士学位，并重回德州仪器工作。到1972年，张忠谋已升任德州仪器资深副总裁，是德州仪器仅次于董事长和总裁的三号人物。
1985年，张忠谋因德州仪器不采纳其扩大半导体业务投资的建议等原因，辞去工作，返回台湾，并出任台湾工业技术研究院院长。1987年，张忠谋在台湾新竹科学园区创建了台湾积体电路制造公司（即台积电）。
彼时的半导体企业都是全能公司，垂直一体化整合经营，从芯片的设计、制造、封装测试到销售，都由自己完成，一个公司就是一条完整的产业链，德州仪器、英特尔等巨头都是这个模式，称为IDM模式（Integrated Device Manufacturer整合设备生产商）。
在这种情况下，行业技术壁垒相当之高，现有芯片公司对潜在进入者相当警惕，要创办一个全新的垂直一体化的全能半导体公司几乎不可能。张忠谋另辟蹊径，向巨头们提出了一个合作的建议，台积电只做制造这个环节，不碰设计、封测两头的环节，只为大家做代工，而不谋求发展成为全能的IDM芯片公司，不和大家竞争。
1963年，日本电气公司便获得了仙童半导体公司的平面技术授权，而日本政府则要求日本电气将其技术与日本其他厂商分享。以此为起点，日本电气、三菱、夏普、京都电气都进入了集成电路行业。
20世纪70年代，在美国施压下，日本被迫开放其半导体和集成电路市场，而同期IBM正研发高性能、微型化的计算机系统。1974年6月日本电子工业振兴协会向日本通产省提出了由政府、产业及研究机构共同开发“超大规模集成电路”的设想，1976~1979年，日本政府组织了联合攻关计划，即VLSI。4年间取得上千件专利，大幅提升了日本的集成电路水平，为日本20世纪80年代的集成电路竞争铺平了道路。
1986年日本半导体产品已占世界市场的45%，超越美国成为全球第一半导体生产大国。1989年，在存储芯片领域，日本企业的市场份额已达53%，而美国为37%。在日本企业的巅峰时期，日本电气、东芝和日立三家企业排名动态随机存储器领域的全球前三，其市场份额甚至超过90%，而美国德州仪器和镁光科技则苦苦支撑。
1986年10月，韩国政府开始执行《超大规模集成电路技术共同开发计划》，要求以政府为主、民间为辅，投资开发DRAM芯片核心基础技术，投入资金1.1亿美元扶持电子技术的发展。1984年，三星公司完成了64K DRAM芯片的研发，当时其研发速度还落后于美国数年; 1988年，三星宣布完成了4MDRAM芯片的设计，此时其研发速度仅比日本晚6个月; 1992年，三星开发出了64M DRAM芯片，随后开始向惠普、IBM等美国大型企业提供产品，实现了在技术和市场上赶超美日的目标。短短的几年时间，已经将技术发展达到了世界的领先水平。
早在70年代，三星只不过是一家生产家电的小企业，伴随着国家对于芯片发展的扶持和各国芯片的发展状况，三星决定涉足芯片产业，李秉喆一度向美国镁光及日本夏普派遣员工，以获得半导体产业的初期技术，但是过程非常不顺利。
因此，政府出面，上世纪50~60年代前往欧美发达国家留学的韩国学子，在韩国政府的吸引政策下，陆续回到韩国加入产业化过程，三星招聘了近140名人才，并用了将近2年时间向三星的工程师及高管们传授半导体产业的经验及技术。
1983年，历经多年努力，三星的首个芯片工厂在京畿道器兴地区落成，并在投产后很快便开始量产64位芯片。很快，三星开发了256位芯片、486位芯片，并正式进入全球芯片市场的竞争中。
1996~1999年期间，全世界DRAM芯片的年营销额呈现负增长态势时，三星却在此时积极兴建它的四个分厂，该策略对日后三星DRAM芯片产值的丰收起到了相当大的作用。
三星之所以成功还有一个重要的原因，就是其创业者的企业家精神，芯片产业是一种典型的技术密集、资本密集型产业，其很难跳过一代芯片、进入下一代；而进入下一代的研发，则需要非常高的人力资本及研发成本，才能触发量的优势。
集成电路的制造
集成电路的制造过程主要分为五个制造阶段
- 硅片制备
- 硅片制造 测试分拣
- 装配与封装
- 终测
（1）硅片制备。
首先是将硅从矿物中提纯并纯化，经过特殊工艺产生适当直径的硅锭。然后将硅锭切割成用于制造芯片的薄硅片。最后按照不同的定位边和沾污水平等参数制成不同规格的硅片。本文讨论的主要内容就是硅片制备环节。
（2）芯片制造。
以下视频来源于
回形针PaperClip
裸露的硅片到达硅片制厂，经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等步骤，硅片上就刻蚀了一整套集成电路。芯片测试/拣选。芯片制造完后将被送到测试与拣选区，在那里对单个芯片进行探测和电学测试，然后拣选出合格的产品，并对有缺陷的产品进行标记。
（3）装配与封装。
硅片经过测试和拣选后就进入了装配和封装环节，目的是把单个的芯片包装在一个保护壳管内。硅片的背面需要进行研磨以减少衬底的厚度，然后把一个后塑料膜贴附在硅片背面，再沿划线片用带金刚石尖的锯刃将硅片上每个芯片分开，塑料膜能保持芯片不脱落。在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包，再将芯片密封在塑料或陶瓷壳内。
（4）终测。
为确保芯片的功能，需要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环节的特性参数要求。
集成电路制造中的职业
半导体制造业中职业途径主要分为三个主要方面：技师 工程师 管理人员
技师：负责操作硅片制造设备，负责设备简单维护，工艺及设备基本故障查询。
设备工程师：负责诊断维护设备，优化设备的性能，减少设备宕机时间
工艺工程师：负责分析制造工艺和设备性能优化参数设置。
现场服务工程师：一般是设备供应商，负责设备安装，后期设备维修保证设备有效生产。
良率工程师：利用测试设备以及分析数据，从事缺陷分析工作，找出引起缺陷根源，提高良率。
厂务工程师：负责工厂内部化学材料 净化空气以及常用设备设施提供工程支持。
主管/经理：在硅片制造厂，将技术技能和人事管理技能结合在一起以达到公司组织目标。
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