3.1 从微电子技术到纳米技术

信息技术大大推进了信息平民化的进程，信息成了大规模生产和即时分送的商品，能为大多数人轻易地获取。与信息 技术 有关（不包括信息 内容 ）的大部分产业，现在在美国经济中居于主导地位。这些产业可以分为三大类：半导体与其他电子元件；计算机的硬件设备、软件和系统设计；远程通信设备和服务（见表 3.1）。微电子、电子计算机以及远程通信是第二次世界大战以后最令人振奋的工程成就。同等重要的是，它们在因特网和其他形式的网络开发中的集成和整合。

晶体管和微观物理学

固态物理学家塞茨（Frederick Seitz）说：“所谓的信息高速公路或计算机高速公路是由晶体硅片铺成的。” ¹ 摩尔定律所描述的计算能力呈指数级增长，不是计算机科学的功绩，而是半导体技术的功绩。晶体管引发的设备革命，不断产生更小尺寸、更快速度、更高可靠性和更大规模的集成电路。没有这些令人惊异的小型化，我们就不能如此大声地嘲笑IBM董事长托马斯·沃森（Thomas Watson），他在1943年做市场预测和时，竟然宣称全世界市场兴许只要5台计算机。这也难怪，当时的巨型计此算机所采用真空管能填满一座大楼，又要耗费足以照他亮在一座城市的电力，有多少机构能够承担得起呢？ ²

微电子革命，包括建立一个庞大的产业和一个物理学大分支，是科学和技术携手共进中的一件划时代的大事。微电子革命有着三个相互交错的阶段。第一个阶段以1948年晶体管的发明，以及此后不久对其内在机理的诠释为标志，而这催生了以微观电子控制为基础的一整套固态电子设备。第二个阶段是20世纪50年代的开发阶段。第三个阶段是开始于20世纪60年代的技术革命。摩尔定律总结了微电子设备的革命性 成果 ，确切地描述了第三阶段的技术 进化 。前两个阶段的成果使得第三阶段的顺利完成成为可能，因为在前两个阶段有着对固态晶体元件的基本机理及其制造工艺的深层理解。

微电子革命的物质基础是半导体，硅是其中最著名的实例。美国的半导体工业在 2000年的总收入超过了 650亿美元，并且一直快速地增长，在世界半导体产业界占据了最大的份额。其大量的产品是计算机和其他的信号处理芯片。半导体，除了能制成操控电子的微电子设备之外，还能制成控制光的光子设备和控制电子和光子相互作用的光电子设备。虽然光控设备不像微电子设备那样普及，但是它们在信息高速公路中的作用与日俱增。

半导体的导电性要比金属弱些。更重要的是，它们的传导性可以通过许多方式加以控制。通过有控制地掺入杂质（其他种类的原子），硅可以制成带负电荷的 n型 半导体或者带正电荷的 p型 半导体。 ³ 当一片n型半导体和一片p型半导体相互接触时，它们便形成一种相当于二极管整流器作用的 pn结 ，在电压的极性作用下，电流能正向通过而不能反向通过。一种 pnp双极结晶体管 由两层p型半导体将一层薄薄的n型半导体夹在中间组成。它有两个pn结，它的设计使得偏压上的一个微小变动就会产生一个大的电流变动，从而导致功率的放大。

半导体的某些性能被发现后，人们还来不及对其命名并弄清内在的物理原因，它们就已经投入使用了。约在第一次世界大战前，由半导体晶体制成的整流器曾用于无线电通信，其后绝大多数被真空管所取代。然而在第二次世界大战期间，当人们发现硅和锗的探测器性能远远超过微波频率管时，半导体晶体又重新被启用，随着其地位的不断提高，它们东山再起，这是因为那时与之相关的物理学知识已经迅猛增长。

1925 年到 1926 年间创立的量子力学打开了通往微观领域的科学大门。它很快就被应用到所有可能的领域中去，其中包括金属和半导体。到了20世纪30年代末，科学知识为即将到来的器件革命的技术种子的萌芽准备了丰富的养料。

在美国电话电报公司贝尔实验室的凯利（Mervin Kelly）那里，这种情景已显而易见。凯利曾领导真空管研究部门，十分清楚真空管具有不尽如人意的功率消耗高和使用寿命短等缺点，坚信未来的希望在于固态电子元件。他在1936年成为贝尔实验室主任之后，积极筹划发展固态物理学。不久，奥尔（Russell Ohl）发现硅的某些物理效应，并称此为pn结。凯利的设想受到战争需求的进一步推动，在和平迹象初见端倪的时候，他重组了贝尔实验室的物理研究部。这个研究部设有一个固态物理学核心研究小组，下属有一个致力于半导体研究的小分组，这两个小组都由肖克利（William Shockley）领导。

半导体研究小组肩负着寻找固态放大器以及其他器件的重任，根据肖克利关于“在产业研究中，应将尊重实践问题的科学方面作为重要的创新原则” ⁴ 的格言，他们作出了战略性的决定。他们相信科学的认识将会带来科学研究的重大突破，所以不对当时使用的复杂材料修修补补以迅速获取微小的改善，而是决定彻底探索相对简单的硅和锗的物理性质。他们如愿以偿。1947 年圣诞节的前夜，在发现电子 50 年后，巴丁（John Bardeen）和布赖顿（Walter Brattain）制成了第一个金属点接式晶体管，将能量扩大了330倍。肖克利不满足于屈居第二名，他对pn结进行了理论分析，预测到一旦载流子注入半导体表面的势垒，就会产生一种双极结晶体管，而关于此理论的实验证明后来由夏夫（John Shive）完成。晶体管在1948年6月宣布问世。在两年后出版的《半导体中的电子与空穴》（ Electrons and Holes in Semiconductors ）一书中，肖克利解释了它的内在物理机制。

将发明开发为有用的产品

晶体管是由物理学家发明的。但是将发明转化为具有广泛实际应用的革命则需要多学科的协同作战。这些学科中主要有物理学、材料科学和工程学，其中居于核心地位的是将各种知识转化为实际装置的电子工程。电子学、电工学的传统阵地已扩展到了将微电子学和量子电子学涵盖在内的地步。1952年由美国无线电工程师协会组织的固态电子学研讨会，成为20世纪60年代宣告新的重要成果诞生和传播技术的重要论坛。 ⁵

初期的晶体管深受性能不稳定、速度低、寿命短以及成品合格率不足 20％等弊病的困扰。20世纪 50年代，由于晶体管的性能不断提高，运行速度不断飙升，而市场价格不断暴跌，它们变成了一种价廉物美的日用品。具有其他功能的配套器件也陆续开发出来了，与此同时，许多器件被集成为能更高效制造的单片电路。

微电子的革命是半导体产品与工艺流程两翼的发展。产品的发展以 集成电路 为巅峰，而工艺发展以半导体制作的 平面工艺 为巅峰。这个双交叉的进步伴随着对基础科学前沿的攻关，并得到了强劲的产业整合的支持。固态物理学最终发展成为物理学的一个最大的分支，提供了技术驱动科学的很好案例。

半导体工业从一开始就适宜扎根于科学之中，它以其知识的共享性和人员的机动性成为产业发展的楷模。美国无线电工程师协会主办的固态电子学研讨会强调公开化，拒绝邀请那些对自己的发现严加保密的守旧研究者。同样地，美国电话电报公司也是崇尚自由开放的，部分原因是政府对它垄断的电话业务的管控，而部分原因是它判断只要它独占鳌头，就能从庞大而充满活力的产业中获利。美国电话电报公司举办高级研讨会传播知识，宣称不论何人只要肯付区区 2.5万美元，就乐意授权其晶体管专利技术。与此同时，贝尔实验室领导的半导体研究和发展稳步前进，他们聘任经过精心筛选的年轻博士，这些人在几年后学到了最新水平的技术，然后携带他们所获得的知识扩散到别的公司去工作。

1955年，肖克利离开了贝尔实验室，在加利福尼亚州帕洛阿尔托开设了自己的晶体管制造公司。在那里，他找到了一个合作者，斯坦福大学的特曼（Frederick Terman），后者当时正狂热地从事发展工程科学。肖克利奔波于全国各地招募科学家和工程师。在他招聘的 8 个成员中，有 7 个在投入肖克利的晶体管事业之前没有任何半导体制作的经验，他们在 1957 年离开肖克利后，创建了飞兆半导体公司。其中的两位，罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）和摩尔（Gordon Moore）在1968年离开飞兆后创办了英特尔公司。这种人才流动不断地重复进行。在 25 年中，前飞兆公司员工创办了 100 多个经营半导体器件和设备制造的新兴公司。于是硅谷便应运而生了。

半导体工业与大学的研究人员保持着紧密的联系。摩尔解释了英特尔如何将公司内部的研究与开发限制在那些需要解决的直接问题，而到大学中寻找更多与此相关的基础研究。例如，大学研究形成了关于等离子体腐蚀的科学知识，那么工业就将其用来代替湿法腐蚀，并改进了集成电路的制造。 ⁶ 美国的半导体工业从其紧密协作的传统中受益匪浅，这种协作涉及从芯片设计的物理学研究到设备制造的所有相关领域中的人员。它使各方通力合作，汇集了研究与开发的资源，并再次占领了技术制高点，夺回了20世纪80年代与日本竞争中暂时丢失了的阵地。 ⁷

伴随着半导体工业的发展，产品创新和工艺创新竞争激烈，两者互相推动向前发展。在产品方面，引入了许多新器件和新器件组合。其中有贝尔实验室的阿塔拉（M. M. Atalla）和卡亨（D. Kahng）1959年首次制造的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），它是现在集成电路的最通用元件。集成电路（IC）本身可能是自晶体管问世以来的最重要发明。

当晶体管问世时，它主要是作为真空管的替代物。然而，工程师们不久就意识到它的潜在价值远远超过了真空管。晶体管作为一个内置的小器件，它能高速运行，且耗能低微，这两者都是合人心意的。它能为巨大而复杂的系统提供微型处理器，譬如电子计算机的微处理器。对这种潜在能力的开发，需要的不仅仅是单个晶体管的微型化，还需要由许多晶体管和辅助电路元件组成的整个系统的微型化。这恰恰就是基尔比（Jack Kilby）的想法，他在1958年发明了将电阻器、二极管、电容器和晶体管置于单晶硅片上的集成电路。基尔比采用金属线焊接的办法将这些器件连接在他的集成电路上。诺伊斯对于连接有更好的想法，即用霍尔尼（Jean Hoerni）不久前发明的平面线路连接法。诺伊斯注意到平面晶体管所有的连接都位于单一表面上，他建议器件之间的连线可用铝沉积在其表面，从而制造了一种真正的单片集成电路。

基尔比和诺伊斯努力工作，想让人们相信把许多器件置于一张芯片上将不会损害制造业的收益。在他们首次有此想法之后不到3年的时间里，集成芯片全然不顾人们对它的种种怀疑，开始从生产线上滚滚而来了。能达到那种速度实在是工艺工程学的一次大捷。正如我们在化学工程的来龙去脉中看到的那样，掌握隐藏在制造工艺背后的科学原理，促使工艺工程师开发出新产品。集成电路却提供了另一个例子。基尔比解释道：“它［集成电路］能够利用半导体工业的重要成就。它不必去发展晶体的生长或扩散工艺而去构架第一块电路，而且诸如晶体外延附生法等新技术很容易用到集成电路制造中来。” ⁸ 集成电路的商业化生产能够如此快地进行，仅仅是因为它利用了巨大的半导体工艺知识库，这个知识库积累了10年来晶体管制造行业艰辛奋斗的成果。

标准的、可靠的晶体管生产需要一些方法来制造纯的单晶硅，引入定量精确的杂质，生产精密的器件构形，保护成品器件性能在使用中免于退化变质。制造几微米宽的晶体管需要引入杂质薄层，制造极小的金属连接，而且还要精确控制所有元件的物理尺寸。为了达到这些目标，许多工艺被发展和细化，如：扩散、离子注入、薄膜沉积、合金化、晶体外延生长、氧化物掩模、光刻、刻蚀、氧化物表面钝化等。这些都是半导体的 单元过程 ，该术语来自化学工程。许多单元过程涉及固体的复杂的物理和化学属性以及与不同反应物的相互作用。人们做了大量的科学和工程方面的研究去理解和控制它们。一旦掌握了这些知识，它们就会成为通用性的工艺而用于制造各种设计和构形的器件，包括集成电路。

平面构形对于集成电路设计和它的生产工艺都是至关重要的。在较旧的构形中，晶体管发射极和集电极位于硅片相反的两面。为了制造它，不得不把晶片翻转过来，颇费苦心地将其两侧的电路图案排列整齐。平面构形却免除了这种难度较大的工艺，它的设计思路深受 平面 工艺 生产的影响。在平面工艺中，许多单元过程在不弄乱排列的情况下连续地在一个单一表层完成。它使得复杂构形器件的高生产量成为可能。设计者和制造者能够为生产他们特定的产品而组合和搭配单元过程。而且，制造工艺是与芯片上的线路图式无关的，芯片图式体现了芯片的逻辑程序从而被规定为某种产品所具有的特质。芯片图式与制造工艺无关，撇开界面交流的种种限制不说，它意味着产品设计和生产过程能各自独立地进行。它允许在计算机工程师和半导体工程师之间进行一种有效的分工。这种有效的分工带来很多后果，其一就是集成电路的快速商业化，就制造工艺而言，它仅意味着各种全新的芯片图式的出现。

经历了 10 年发展，产品和工艺相辅相成，交汇在一起产生了器件革命。1961年，当飞兆公司为第一台科学研究专用的超级计算机批量生产具有高度可靠性的 10兆赫（MHz）晶体管时，半导体工业的全球销售额闯过了10亿美元大关。此时，半导体工业已经成长发展到技术进化阶段。

技术进化的成就

摩尔在 1965年说过，所有与晶体管和集成电路有关的物理学基本问题都已解决，“甚至不需要去做任何基础研究，也不必替换目前的任何工艺。仅仅需要工程学上的努力”。 ⁹ 在20世纪60年代，工程学的创新集中在降低成本和增加产量方面；在20世纪70年代和80年代，不仅产品质量改善了，而且制造利润几乎提高了 100％；在 20世纪 90年代，新产品进入市场的周期大为缩短。他们创造了无数的新技术，诸如登纳（Robert Dennard）在 1967 年发明了动态随机存储器（DRAM）的晶体管基本存储单元，1973年他又发现了集成电路设计的等比例法则。所有这些成就因为摩尔定律而更加有名。

1965年，摩尔从现有的数据推断并预测到：集成电路的复杂性，体现为每块芯片上的最小成本晶体管数量，该数量大约每 18 个月翻一番。这就是摩尔定律，它适合于这个产业，而不仅仅是适合如图3.1a所举例说明的英特尔的微处理器。 ¹⁰

摩尔定律没有表述一种革命性的突破。正如摩尔所言的那样，它所描述的是业已实现了的事情。然而，它所表述的递增式改进在工程领域是常见的。墨菲（Murphy）、哈根（Haggan）和特劳特曼（Troutman）等工程师在评论马克思（Marx）的格言时说：“‘进化发展到一定程度就变成了革命’，这句话完全适用于集成电路的发展历程。” ¹¹ 此中描述的效应是革命性的，而摩尔定律本身所表述的却是技术进化。集成电路增长的速度越快，则摩尔定律的持续时间越长，这是从量上而不是质上有别于其他的工程进步。

有两个方面的要素促成了摩尔定律：一方面是硅片的尺寸不断增大；另一方面是电器元件形体尺寸的不断缩减。微型化的过程一开始，灾祸预告者就预测了它发展的极限。时至今日，光刻技术的发展已无情地扫除了接二连三的障碍，它能用越来越短的光波在大块材料上刻蚀出越来越精密的图样。然而，许多人为采用革命性的技术而辩解，他们认为革命性技术无论如何要比进化性技术更加富有魅力。《国际半导体技术发展路线图》（International Technology Roadmap for Semiconductors）的编委会主席加尔吉尼（Paolo Gargini）注意到，在20世纪90年代，这种主张浪费了很多时间。他写道：“所幸的是，供应商家和集成电路公司的制造工程师们出人意料地推行了 进化 的方法，为 整个 半导体工业 节约 了时间。” ¹²

最初的商用集成电路的最小形体尺寸是25微米（1微米＝10－ ⁶ 米），相当于一种大型细菌，小于人的头发的直径（人发直径约为50—100微米）。2000 年安装在奔腾 4 处理器上的最小器件尺寸是 180 纳米（1 纳米=10－ ⁹ 米）。目前正在生产线上安装的最新的远紫外光刻技术，已经能够生产小至 15 纳米的晶体管，相当于一个中型的分子。产业界预测，摩尔定律至少在今后十几年时间里仍然有效，不过必须克服的技术障碍将会不断增加。 ¹³

纳米技术：新世纪的革命

追溯到 1959 年，当诺伊斯研制出第一块单片集成电路时，物理学家费恩曼（Richard Feynman）断言，没有任何物理学定律能够阻止宽度仅为 10个原子（大约十亿分之一米或 1纳米）的器件产生。他曾讲道：“在这底下还有很大的发展空间。” ¹⁴ 目前的光刻技术已经朝这底下走了很长的一段路，而任何人，特别是电气工程师，都明白这种技术终将由于物理学和经济学的原因而停顿下来。从物理学的角度来看，例如隧穿晶体管绝缘层之类的量子效应构成了终极的限制。从经济学的角度来看，令人沮丧的消息是由所谓的摩尔第二定律带来的：新建的集成电路制造厂的成本呈指数式增长，部分原因是产品质量和性能的严格控制需要高分辨率的光刻技术。当只有屈指可数的大型半导体制造商才能承受得起数十亿美元的设备时，产业结构就岌岌可危了。 ¹⁵

物理的和经济的限制结合在一起，预示着无法将传统的集成电路技术变革推进得很远。一些革命性的技术必须继续担负起微型化的任务。正在到来的革命被命名为 纳米技术 。它瞄准的目标区域是从1纳米到约 100 纳米，这一范围覆盖了大多数的化学分子和生物分子。因为尺寸规格小、表面积与体积比高和量子效应等特征，这些尺寸的结构展现出很多新奇的属性。这些属性对制造更好的太阳能电池、更轻盈而坚固的材料，以及具有前所未有密度的信息存储，都是有用的。具有纳米孔的材料可用作石油精炼的催化剂，以及去除环境致污物的过滤筛。设计用来控制单个DNA分子的具有纳米特质的器件，能够提升基因工程的效率。无论是从电子学到环境，还是从卫生保健到空间探索，纳米结构都有巨大的应用潜力。随着先前几十年的研究和先进仪器的发展，已经建立了许多前进的据点。如何通过研究和开发的共同努力，掌握它们的属性，找出加工它们的方法，应用它们去设计和制造纳米尺寸的高效器件，这一时机已经成熟。美国政府在 2001 年启动了“国家纳米技术计划”。其他国家也有类似的规划。

纳米技术从两个方面着手研究纳米领域。自上而下地看，在大块材料上形成越来越小蚀刻结构的技术进步将持续下去。光刻技术和其他固态电子学技术应用到了包括集成电路在内的许多其他领域，诸如微机电系统（MEMS），它将电子学与可移动机械零部件整合在一起。因为这些机械零部件可用作物理传感器和致动器，微机电系统作为控制器件找到了更广泛的应用。其中一个陈旧的例子，就是控制汽车安全气囊膨胀的加速计；一个较新的例子，是光通信系统中转换光的镜面列阵（mirror array）。另一些令人振奋的应用发生在生物学和医学领域，譬如控制药剂释放的微型胶囊，或者控制DNA分子以及进行医疗诊断测试的所谓“芯片式实验室”（labs-on-a-chip）。大多数的微机电系统现在处于微米尺度，但是纳米机电系统（NEMS）即将问世。 ¹⁶

自下而上的方法（bottom-up approach）是真正带有革命性的。在这种方法中，器件的设计和建构是一个原子一个原子、一个分子一个分子地逐个进行的。诸如扫描隧道显微镜之类的仪器已经能够移动单个的原子。使用这种显微镜，美国国际商用机器公司（IBM）的工程师们将35 个原子排成他们公司的标志，这个标志不到 5 纳米高。然而这种方法非常笨拙，不能将任何东西商业化。纳米技术遇到的挑战是如何设计理想的结构，并找到能用精确的控制和有竞争力的成本将它们大量合成的工艺。在这方面，化学家居于领军地位，因为分子合成是他们的专长。但是他们必须同其他领域的专家合作，因为分子必须进一步被汇集成固态材料或特定的构形。

这种自下而上的方法一般包括两个步骤，这两个步骤有时在同一个处理过程中完成。第一步是设计和合成模块，模块的组成部分通过共价键或别的强化学键结合在一起。第二步是集成模块，应用氢键或别的弱化学键聚合来形成一个器件。这一过程的实质是，强化学键将许多原子键合成一个小分子，弱分子间作用将许多小分子键合成一个超分子。许多生物分子就是超分子，它们自我组装。纳米技术的目标，是找寻到类似的自组装工艺流程来制造人工器件。 ¹⁷

分子电子学的一个远大目标，是要造出一种由单个分子组成的晶体管，以及由许多这种分子键合在一起组成的计算机处理器。这是一个超乎寻常的企望，但是正在取得进展。其中一个例子就是碳纳米管，这种引人注目的分子是晶体状的，非常结实坚硬，是一种极好的热、电导体，能被制成金属或半导体。自从1991年碳纳米管被发现以来，它已经引发了一场研究热。以碳纳米管为基础的晶体管和小型逻辑电路，已展示在人们面前。由单个碳纳米管制成的二极管，一头是金属，另一头是半导体。然而，尽管人们对碳纳米管的属性已经知道得相当清楚，但是产生人们所需求属性的碳纳米管工艺却还是不可靠，更不必说将单个的碳纳米管组合成复杂的电路。即便是在分子电子学中一路领先的碳纳米管，它要在电子器件微型化的竞赛中独占鳌头，仍然需要跨越诸多的障碍。 ¹⁸ aRLplKb9Bso6w+MnyQs4EDIXPc5WN5qwGM2DRHSVYDAh+PaSut66vpS2K7ABq2Sn