半导体“硅”铺就的文明阶梯

在历史学家汤因比眼中，人类社会发展的规律即“挑战和应战”，文明即是在“挑战和应战”这对矛盾中诞生和延续的。应战成功，文明可以继续向前发展，反之则会导致文明的流产。

在半导体不算漫长的历史进程中，出现过无数个这样的“挑战与应战”。它们大部分时候，是由某一个企业或国家，施与另一个竞争对手的。
那些被狙击的产业体系，就如同被三体人派出的“智子”锁死了一样，再也无法实现科技升级，进而失去了向前发展的可能性。
所以，当我们探讨如何走出半导体产业封锁的囚笼，突破一个个“智子”的封锁就变成了核心要务。
其中一个非常重要的“智子”，叫做——“硅”。
作为世界的创新中心，硅谷不仅拥有仙童、英特尔、谷歌等等明星企业和富可敌国的资本，更影响了全人类的生活方式与文明进程。

从西部“淘金地”，再到“点石成金”的“硅谷”，这个普通的旧金山南方小城，用不到百年的时间与“硅”结下不解之缘？又为何在成为高科技之都后，失去了对“硅”材料的统治权？
带着这些问题，我们一起踏上今天的阳光加州之旅。

从硅谷到东京：硅的三个瞬间

历史的许多重大转折，往往源于微末处的机缘巧合。少有人会想到，以硅砂为原料的半导体行业兴起，是源于一个儿子想要“逃离北上广”回乡的愿望。
1956年，因为母亲年事已高，肖克利辞去了贝尔实验室的工作，回到了故乡——加州的圣克拉拉谷，也就是后来的硅谷。
在此之前，旧金山湾区最为人熟知的矿藏是金子。而肖克利的到来，为这里开启了第二次“Gold rush”淘金热，资本和人才疯狂涌入的目标，则是新时代白色的金子——半导体硅（Si）。

在肖克利之前，关于半导体材料的研究已经持续了上百年。人们发现，许多元素和化合物具有半导体性质，在常温之下的导电性能处于导体与绝缘体之间。
因为导电性可控，半导体非常适合用来制作电子元器件。
比如1874年，卡尔·费迪南德·布劳恩发明了第一个半导体器件——晶体探测器。1906年，美国工程师格林利夫·惠蒂尔·皮卡德则开发出了一种硅射电晶体探测器，这也是第一个硅半导体器件。1941年，第二次世界大战期间，高纯度锗和硅晶体也开始被应用在雷达微波探测器上。

理论上，所有半导体都可以用来制造现代生活不可或缺的芯片，为什么漫长的变革之后，只有硅脱颖而出，成为集成电路的基础，也成功晋升为最具商业价值的材料呢？
其实一开始，硅并不是集成电路的第一选择，它的崛起历经了一个漫长的时期。
为了不陷入细枝末节的“故纸堆”，我们为这趟时光旅行设置了三个坐标：

坐标一：

1956年，加州，晴，宜除旧从新

“硅谷”(Silicon Valley)一词首次出现在出版物上，是一位名为唐·霍夫勒 (Don Hoefler) 的记者。1971年1月11日，他在为周刊 《电子新闻》撰写报道时，将一批电子企业尤其是半导体公司在圣塔克拉拉县蓬勃兴起的景况，定题为《美国硅谷》。
而所有故事的开头，都会“倒带”回1956年6月，肖克利离开贝尔实验室回到老家，创办肖克利半导体实验室有限公司的那一天。
（肖克利）
吊诡的是，让肖克利声名鹊起、收获了诺贝尔物理奖的——世界上第一个晶体管，却跟硅毫无关系，它是由锗制造的。
一个小小的金属箭头，插在一块平板锗上，一问世就把真空管送进了坟墓。随后，贝尔实验室对外授权晶体管专利，直接带动了锗的流行。直到1950年代末，锗都是晶体管和其他半导体器件的主要材料。
（世界上第一个晶体管）
在这样的背景下，肖克利出走创业，要做硅晶体管的消息，就显得十分匪夷所思的。毕竟在他离开贝尔实验室的时候，他并没能如预想的那样，制造出一个利用硅制成的场效应放大器装置。
没有这位“硅谷”第一公民的坚持，今天的半导体行业必定是另一番景况。
之所以坚持要用硅替代锗来做晶体管，一是考虑到成本。锗是一种稀有元素，在地壳中的含量少，矿藏还分布分散，导致价格高昂，难以大规模生产。而硅作为地壳中第二丰富的元素，在成本上很占优势。
二来，当时晶体管最大的客户是美国政府和军方，他们希望将芯片运用在火箭和导弹上，这就需要晶体管能够耐高温、抗剧烈震动，在200℃也能稳定运行。但锗晶体管的耐受温度只有80℃，显然不符合要求。只有硅有这个潜力。
第三，当时高纯硅的工业提炼技术已经成熟，而锗则很难提炼到足够的纯度，这就导致晶体管性能低下。
硅晶体管的商业价值，还是更高性能的发明，少有人能抗拒这样“名利双收”的诱惑，肖克利的出走也就成了必然。
光环加身的肖克利，很快吸引了诸多工程师慕名加入，其中就包括硅晶体管先驱金·赫尔尼Jean Hoerni。

坐标二：

1959年，查尔斯顿路，雷阵雨，宜自立门户

有意思的是，尽管肖克利最先奠定了硅晶体管的发展方向，但他的实验室却一个硅晶体管也没能生产出来。
真正让硅晶体走入市场的是另一家公司——仙童半导体(Fairchild Semiconductor)。
1957年底，八个年轻人受不了肖克利的臭脾气，集体辞职，在硅谷租了一间小房子，成立了仙童。肖克利暴跳如雷，大骂他们是“八个叛徒”。
次年，拥有两个博士学位的金·赫尔尼，用被他称作“大学水平”的物理知识，发明了一种平面工艺技术(planar technology),来使用硅制造晶体管。
后来，这项技术被评定为“20世纪意义最重大的成就之一”，并奠定了硅作为电子产业中关键材料的地位。
（成立仙童的八叛徒）
到底是一种什么技术呢？
此前，大部分电路都是靠人工，将单个的晶体管、电阻器、电容器和二极管连接在电路板上的。
赫尔尼则提出了一种光学蚀刻的处理方法，可以在硅片平面上将集成电路生产出来。
方法和现在的芯片制造逻辑类似，先手工画出布局图，然后做成透光片，在光滑的硅片上涂上感光材料，用紫外线/激光投射上去，黑暗区域和线条就会留在硅片上，再用酸液清洗，重复几次，就可以硅晶圆上得到大批晶体管。
这种平面处理工艺，将原本复杂的高台式晶体管制造变得十分简单高效。如果原来是搭乐高积木，现在就是复印机打印。
1959年，赫尔尼跟诺伊斯开会的时候，提交了这个工艺的最新版本。一次性制作集成电路的时代开始了。
（赫尔尼）
1961年，仙童发布了首款硅集成电路，一共容纳了4个晶体管。到1965年的时候，带有64个元件的芯片就在路上了。
随着扩散型硅晶体管的大量上市，仙童成功“路径正确”打败“锗集成电路”，跃升为跟德州仪器同台竞技的半导体新贵。

坐标三：

1980年，日本东京，台风，宜抢占先机

肖克利与仙童，催生了硅谷的半导体产业。然而今天全球前五大硅晶圆供货商中，前五名分别是日本信越化学、SUMCO（三菱住友株式会社）、中国台湾环球晶圆、德国世创（Siltronic）和韩国LG。
它们占据了全球90%以上的硅片供应，没有一家是美国的企业。

这种切割和产业轮替是怎样发生的？
一条不那么精确的时间分割线，出现在了1980年代。
在此之前，美国厂商是毫无疑问的半导体材料领军者。
其中，英特尔是当之无愧的航标。
由于看到了半导体计算机存储器的商业潜力，戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯从仙童出走，创办了英特尔公司。
通过力推硅芯片，英特尔先后打败了竞争对手摩托罗拉、德州仪器、IBM等，成为半导体存储（DRAM）领域的霸主。硅芯片等于半导体芯片的产业地位，也就此尘埃落定。
在英特尔大举进步的同时，也有不少企业在虎视眈眈。
20世纪50年代开始，新兴的电子产业（尤其是硅晶体管）就吸引了美国其他企业以及海外同行的注意。
孟山都的两家研究实验室(圣路易斯和俄亥俄州代顿)，都开始研究硅材料。1959年，孟山都MEMC的ST·PETERS工厂开工建设，生产晶体管和整流器材料“超纯硅”，并先后解决了许多技术难题。比如第一个在硅片清洗过程中使用臭氧，采用化学机械抛光等等。而伴随着英特尔等一批“前辈”开始向微处理器CPU转型，硅片制造的买卖就开始被孟山都垄断。
到了1979年的时候，孟山都成为全球硅晶片供应商的龙头，其业务占据了美国80%的FZ单晶。

而与孟山都同时开始切入硅晶圆市场的，还有日本厂商。
50年代末，日本先后成立了小松电子金属、信越半导体、东洋硅等公司，开始了技术引进。
尽管技术落后于美国，但也凭借低廉的成本和价格抢占了不少市场份额。
偏偏日本不甘于一直做替代品，1971年，日本通产省制定了赶超美国半导体产业计划，1976 年成立“超大规模集成电路技术研究组织”，NEC、富士通、日立、东芝、松下等厂商都有投资，试图技术反超。
（关于日美半导体战争的报道）
当追随者开始进入竞争者象限，一切就都变了。美日之间的贸易摩擦，自然而然轮到了半导体行业。
1977年开始，双方不断地谈判、签订协议，直到1996年才基本宣告结束。而在整个过程中，日本的技术突破顺利完成，在存储领域，日本开始与美国并驾齐驱。
技术的持续进步，加上80年代美国经济衰退，日本企业的效率优势进一步放大。到了2000年的时候，尽管以孟山都为代表的美国厂商仍然在技术上占据优势，但产业话语权已经移交到日系硅晶圆厂手中。
（美日签订半导体协议）
2005年，日本信越占全球300mm晶圆的50%市场份额，日系厂商则占据了全球65%的市场份额，而北美和欧洲仅仅各占15%左右。
除了核心的硅晶圆，国际半导体产业协会（SEMI）的数据显示，在光刻胶、键合引线、模压树脂以及引线框架等重要的半导体制造材料上，日本也处于绝对的领导位置。
直到今天，尽管日本企业在消费半导体领域已经优势不再，但在半导体材料方面，却占据着主动权。
2019年7月1日，当日本经济产业部宣布加强对韩国的半导体材料出口管制时，三星电子、SK海力士等韩国半导体企业立即拉响了警报，也让关于半导体材料的“卡脖子”风险，进入了草木皆兵的国人眼帘。

打开“智子”封锁，谁是半导体材料的破壁人

纵观以硅为基础的半导体材料发展历史，从美国硅谷到日本东京的技术与产业变迁，也映射着一个另类的半导体宇宙：锁住产业发展进阶的“智子”，究竟有哪些？
如果非要总结出点所以然的话，有三个关键是必不可少的：
1. 持续创新的商业眼光。
无论是肖克利对硅晶体管的技术信仰，还是仙童与德州仪器的集成电路方向之争，亦或是日本半导体产业冒着贸易摩擦风险下的不让步，无不说明伴随着外界压力不断进行新的技术研发，有多么重要。
每一次技术的发展，都会带来设备的更新需求与投资增长。
起初，美国半导体企业都认为日本制造擅长模仿，但当日本企业投入大量资金进行技术研发和产品创新时，一切都不同了。
反观孟山都，在竞争失利后转型进入清洁能源领域，甚至改名SunEdison，最后仍然没能逃脱破产的命运。
一个企业乃至一个国家的技术话语权，就在这样永不停歇的追赶中铸成。

2. 精益管理的高端制造。
日本半导体材料企业能够崛起，与其精益求精的生产制造不无关系。
半导体产品对硅晶圆的纯度要求很高，正是因为制造难度大，技术迭代快，制造设备更新频繁，这些都要求材料企业需要有严苛的精益管理能力来控制成本、提升效率，从而确保盈利能力。
“锱铢必较”的高端制造，或许是半导体领域十分“重工业”的部分，也是解开商业价值必不可少的支撑。
3. 电子产业的强势拉动
如果1980年代，美国对日本推出“实体清单”，日本硅晶圆厂商还能占据这一关键的发展时间窗口吗？
历史不能假设，但可以推演一番，从1960年开始，日本的NEC开始研发IC，东芝、日立也都在存储领域争夺市场份额。
即使美国芯片制造商做出封锁，那么日本的电子产业也能够为材料厂商提供出口。
集成电路的发展对硅晶圆材料产业有着至关重要的影响，更是驱使其技术更新迭代的核心动力。
放弃了自主产权芯片产业发展的市场，半导体材料自然同气连枝。
在人类历史长河中，像硅这样“点石成金”的奇迹并不多见。
它所演绎的材料传奇，点燃了加州的电子之光，也伴随着半导体组件在人类社会的每一个角落闪烁着它的光辉。
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