第一顆積體電路問世 │ 科學史上的今天：09/12

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 整理撰文／郭雅欣、簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

手機越來越快， IC 晶片卻越來越小，關鍵是「光學微影」

自光學微影技術出現以來，積體電路（Integrated circuit, IC）的體積跟隨著摩爾定律不斷縮小，到我們踏入 5 奈米量產世代的今日，IC 可以說足足縮小了百萬倍！這樣的成果並非一蹴可幾，而是多年來半導體研發人員和工程師的心血累積而成。中央研究院 111 年知識饗宴的科普講座中，林本堅院士以「光學微影縮 IC 百萬倍」為題目，分享了光學微影這一路走來，如何將半導體元件尺寸愈縮愈小、推向極限。

隨著積體電路（IC）與半導體製程的進展，我們的手機、平板等 3C 產品，體積愈來愈小，速度卻愈來愈快，功能也愈來愈多、愈強大。這歸根究柢，是因為現在的半導體技術把 IC 愈做愈小了，在 3C 產品中可以放入的元件數量愈來愈多，自然能做的事情更多了，效率也增加了。

IC 愈做愈小的關鍵技術在於光學微影（Optical Lithography）。光學微影簡單來說，就是在製作元件的過程中，將元件的組成材料依所需位置「印」在半導體晶圓上的技術。能印出愈精細的圖案，就能製作出愈小的元件。

如果讀者好奇手機或電腦的 IC 晶片是怎麼做出來的？請參考以下蔡司公司製作的影片，解釋了晶片從原料到封裝的整個過程，影片中的曝光（exposure）步驟，就是我們這篇文章要介紹的主題。

衡量元件尺寸的關鍵指標之一為「電晶體閘極長度」（Gate length），這個數字與 IC 速度直接相關。以場效電晶體來說，閘極長度愈小，電流可以花更少時間通過電晶體的汲極和源極。

如果要表示元件微縮的程度，另一個關鍵指標為線寬和週距（Pitch），通常以金屬層線與線的週距為參考基準，週距做得愈小，線寬也愈小，元件微縮程度愈高，見以下示意圖。

如今，到了單位數奈米的世代（例如 7 奈米或 5 奈米製程），這些數字已經逐漸演變為僅是世代的號誌。雖然 IC 還是愈小愈好，但是新世代製程工藝可能代表運算快、密度高、價錢便宜等其他綜合優點。

那 IC 目前到底縮小了多少呢？我們可以先有個概念，如果把每個世代視為實際尺寸來看，自從 1980 年代有光學微影技術以來，線寬從一開始的 5,000 奈米，如今已降到 5 奈米、甚至往 3 奈米邁進了。線寬不斷往下縮小，每一代大約縮小為上一代的 0.7 倍，到 5 奈米已經是第 21 代。經過了這樣的「代代相傳」，線寬縮小了 1,000 倍，換算下來，同一面積所能放入的元件數量高達原本的 100 萬倍！

光學微影技術如魔法般把線寬一步步縮小，靠的是多年來研發人員一步步的努力。林本堅院士在「光學微影縮 IC 百萬倍」這場科普講座中，一一細數其中的關鍵改良，以及箇中挑戰。

IC 晶片縮小術，秘訣在於追求最小線寬

讓我們先從一個核心的光學解析度公式開始：

半週距（Half Pitch）= k₁λ／sinθ

半週距：一條線寬加上線與線的間距後乘以 1/2。曝光解析度高時，半週距可以做得愈小，意味著線寬可以愈小。

k₁：一個係數，與製程有關，縮小半週距的關鍵，是所有半導體工程師致力縮小的目標。

λ：微影製程中使用的光源波長，從一開始的 436 奈米，現已降到 13.5 奈米。

sinθ：與鏡頭聚光至成像面的角度有關，基本上由鏡頭決定。

由於光在不同介質中，波長會有所改變，因此我們在考慮如何增加解析度時，可將鏡頭與成像面（晶圓）之間的介質（折射率 n）一併納入考量，將 λ 改以 λ₀/n 表示，λ₀ 是真空中的波長。

半週距（Half Pitch）= k₁λ₀／n sinθ

因此，增加曝光解析度（半週距 ↓）的努力方向為：增加 sinθ、降低 λ₀、降低 k₁、增加 n。

另一方面，為了讓微影製程有足夠大的曝光清晰範圍，鏡頭成像的景深（DOF）數字愈大愈好（註1），但是景深變大的副作用是——半週距也會跟著變大，因此在製程改良上必須考慮兩者的平衡或相互犧牲。

巨大複雜的鏡頭，都是為了增大 sinθ

sinθ 與鏡頭聚光角度有關，數值由鏡頭決定，sinθ 愈大，解析度愈高。光學微影所使用的鏡頭，並不如我們平常使用的相機或望遠鏡那般簡單——而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透鏡，經過精確計算後，仔細堆疊組成的（如下圖）。

這樣極其精密的鏡頭，林本堅透露：「6,000 萬美金的鏡頭已經不值得驚奇了，一億美金都有可能。」鏡頭做得這樣複雜、巨大又昂貴，是為了盡可能將 sinθ 逼近它的極值，也就是 1，他接著說：「目前的鏡頭可將 sinθ 值做到 0.93，這已經是非常辛苦了。」

鏡頭材料精準的搭配：縮短波長

第二個方法是縮短波長。雖說改變使用的光源，就能得到不同的波長，但因為不同波長的光經過透鏡後的折射方向不同，因此鏡頭的材料也必須相應改變。林本堅表示，當波長愈縮愈短，「我們能選擇的鏡頭材料也愈來愈少，最後就只有那兩三種可以用。」

用少數幾種材枓來調適光源的頻寬愈來愈難。所以後來大家轉而選擇單一種合適的材料，並針對適合這種材料的波長，將頻寬盡量縮窄。林本堅說：「連雷射的頻寬都不夠窄小，現在把頻寬縮窄到難以想像的程度。」

另一種解決問題的方法，則是在鏡頭的組成中加入反射鏡，這樣的鏡頭組合稱為反射折射式光學系統（Catadioptric system）。因為不管是什麼波長的光，遇到鏡面的入射角和反射角都是相等的，因此若能以一些反射鏡面取代透鏡，就可以增加對光波頻寬的容忍度。

後來到了 13.5 奈米（極紫外光，EUV）的波長時，甚至必須整組鏡頭都使用反光鏡，稱為全反射式光學系統（All reflective system），可參考以下 ASML 公司的展示影片。林本堅表示，這種全反射鏡的系統，必須設計得讓光束相互避開，使鏡片不擋住光線。此外，相較於透鏡穿透的角度，鏡面反射的角度對誤差的容忍度更低，鏡面角度必須非常非常精準。以上這些都增加了設計的困難度。

曝光波長的改變還會牽涉到底下的曝光光阻，光阻材料從化學性質、透光度到感光度等各項特性，都必須隨著曝光波長的改變而調整，「這是個浩大的工程。其中感光速度非常重要，是節省製造成本的關鍵」，林本堅說。

值得一提的是，光阻材料的感光速度在微縮 IC 的歷史中相當重要。1980 年代，時任 IBM 的 C.G. Willson 和 H. Iro 率先提出一種以化學方式放大光阻感光速度的方法，將感光速度提升了 10~100 倍，大幅增加了曝光效率。這項重大發明，讓 C.G. Willson 在 2013 年榮獲「日本國際獎」（Japan Prize），可惜當時 H. Iro 博士已故，無法一同受獎。

提高解析度的關鍵：降低 k₁

提高解析度的重頭戲就在於如何降低 k₁。林本堅說：「你可以不用買昂貴的鏡頭，也可以不選用需要很多研發功夫的新波長。只要你能用聰明才智與創造力，將 k₁ 降下來。」

首先是「防震動」，就好像拍照開防手震功能一樣，在晶圓曝光時設法減少晶圓和光罩相對的震動，使曝光圖形更加精準，恢復因震動損失的解析度。再來是「減少無用反射」，在曝光時有很多表面會產生不需要的反射，要設法消除。林本堅表示，改良上述這兩項， k₁ 就可以達到 0.65 的水準。

提高解析度還可以使用雙光束成像（2-beam Imaging）的方法，分別有「偏軸式曝光」（Off-Axis Illumination, OAI）及「移相光罩」（Phase Shift Mask, PSM）兩種。

偏軸式曝光是調整光源入射角度，讓光線斜射進入光罩，原本應通過光罩繞射的三束光（1 階、0 階與 -1 階），會去掉外側的一束光（1 階或 -1 階），只留下其中兩束光（例如 0 階和 1 階）。透過角度的調整，可以很巧妙地讓這兩道光相互干涉來成像，使解析度增加並增加景深。

移相光罩則是在光罩上動些手腳，讓穿過相鄰透光區的光，有 180 度的相位差。相位差 180 度的光波強度不會改變，只是振幅方向相反。如此一來，相鄰透光區的光兩兩干涉之後，剛好會在遮蔽區相消（該暗的地方更暗），增加透光區與遮蔽區的對比，進而提高解析度。

「這兩種做法都可以讓 k₁ 減少一半。」林本堅笑說：「可惜這兩種方法都是用 2-beam Imaging 的概念，不能疊加起來使用。」

目前業界多半多半使用偏軸式曝光，林本堅表示：「移相光罩一方面比較貴，另一方面，它不能任意設計圖案，必須考量鄰近相位不抵消的問題。」利用各種降低 k₁ 的技術，目前已將 k₁ 降到 0.28，「這幾乎是這些技術所能做到的 k₁ 極限了。」

要進一步降低 k₁ ，還有辦法！就是用兩個以上的光罩，稱為「多圖案微影」。簡單來說，它將密集的圖案分工給兩個以上圖案較寬鬆的光罩，輪流曝光在晶圓上，這樣可以避免透光區過於接近，使圖案模糊的問題。缺點則是因為曝光次數加倍，等於效率降低了一半。

鏡頭與晶圓之間的介質：浸潤式微影技術

在增加微影解析度的路上，最後一個可以動手腳的就是鏡頭與晶圓之間的介質。由林本堅提出的浸潤式微影技術中，將鏡頭與晶圓之間的介質從折射率 n～1 的空氣，改成ｎ= 1.44 的水（對應波長為 193 奈米的光），形同將波長等效縮小為 134 奈米。

浸潤式微影技術讓半導體工藝在 12 年內往前走了 6 代——從 45 奈米直到 7 奈米。林本堅補充說，這個技術的優勢在於「你可以繼續使用同樣的波長和光罩，只要把水放到鏡頭底部和晶圓之間就好。」

不過，林本堅話鋒一轉。「我說得很輕鬆，把水放進去就好。但這背後其實有很多技術。」例如水中的空氣可能讓水產生氣泡，必須完全移除。另外，放進去的水必須很均勻，在透光區照到光的水，會變得比遮蔽區的水要熱一些，這個溫差就會讓水變得不均勻，影響成像。為了避免溫差，必須讓水快速流動混合，但又可能會產生漩渦。

「這很考驗我們機台放水的裝置，如何讓水流快速均勻又不起漩渦？這是個大學問，至今放水裝置起碼重新設計了六到八次。」

水的另一個特點，就是「它是很好的清洗劑。」林本堅說。在使用浸潤式微影技術時，水很容易把鏡頭等所有接觸到的東西上的雜質都洗下來，「結果就是晶圓上有上千個缺陷（defects）。我們花了很多功夫把缺陷的數量從幾千個，降到幾百個、幾十個，最後降到零。」林本堅說：「那是需要投入很多人力和晶圓才能完成。」

半導體人才需要是專才、通才，也要是活才

演講的最後，身為清華大學半導體研究學院院長的林本堅提及人才的培養。半導體的技術已經演進到非常複雜的程度，沒有一個學生能精通所有的技術層面。林本堅說：「所以你會發現，半導體需要團隊互助合作。」

而踏入這塊領域的學生，林本堅期許除了要有基本的理工能力外，還需要有對問題的好奇心，會發現新問題，也會找到有趣的新技術（活才）。「如果不能自己發現新的技術，會永遠跟在別人後面。」

林本堅強調，這不是簡單的事情，因為「真的有學不完的東西。」半導體可以分成材料、製程、設計、元件四個領域，「我們希望學生至少在一個領域很精通，有本領深入鑽研（專才）。但對其它的領域，也得有某種程度的認識（通才），才能彼此合作，解決問題。」

註解

註1：DOF＝k₃λ/sin²(θ/2)，k₃ 是因應高 NA 值的曝光鏡頭所引入之係數。

延伸閱讀

• 111 年知識饗宴——蔡元培院長科普講座「光學微影縮 IC 百萬倍」
• 張顏暉（2021）。〈半導體元件的發展與運用-做晶片到底有多難?〉，《科技大觀園》。
• 詹益仁（2020）。〈摩爾定律的華麗謝幕：EUV 微影機〉，《DIGITIMES》。
• 郭雅欣（2020）。〈微影製程再進化！複雜電路的祕密〉，《科技大觀園》。
• 林本堅（2019）。〈推進微影技術二十代〉，《科技大觀園》。
• 劉俊宏、余浩澐、蔡坤諭（2013）。〈讓摩爾定律成真的關鍵：微影技術——影響七十億以上個未來〉，臺大電機系科普新知。
• 黎瑛蕊（2013）。〈林本堅以浸潤式微影技術開創產業未來〉，《工業技術與資訊月刊》。
• Lin, B. J. (2019) “Innovating from History“, Proc. SPIE 10584, Novel Patterning Technologies 2018, 1058402.
• Pease, R. F., & Chou, S. Y. (2008). “Lithography and Other Patterning Techniques for Future Electronics“. Proceedings of the IEEE, 96(2), 248-270.
• Ulrich, W., Rostalski, H., & Hudyma, R. (2004). “Development of dioptric projection lenses for deep ultraviolet lithography at Carl Zeiss”. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 3(1).
• Lin, B. J. (2000). “New λ/NA scaling equations for resolution and depth-of-focus“, Proc. SPIE 4000, Optical Microlithography XIII.
• Nikon | Semiconductor Lithography Systems | Semiconductor Technology
• ASML EUV lithography systems
• Chip technology earns Japan Prize. IBM Research Blog.

有些發明改變人類的生活方式卻不大吸引世人注意，連帶使得發明者淪為一個陌生的名字。傑克·基爾比（Jack Kilby, 1923－2005）與他發明的積體電路（integrated circuit, 簡稱 IC）就是一個例子。

基爾比於 1958 年 5 月加入德州儀器之前，已經在另一家電子公司工作了十年。當時小巧的電晶體已經取代笨重的真空管，但要將電阻、電容、二極體、三極體這些元件個別一一焊接在電路板上，不但耗時費工，又容易出錯。而且電路板尺寸得維持一定大小以上，電子產品就很難繼續縮小化。

基爾比有個大膽的想法：一開始就將這些不同元件做在同一塊晶片上，並在晶片內用電路連接起來，如此就可大幅縮小電路板尺寸了。這其實不算是多麼天才的創見，但當時似乎沒有開發積體電路的迫切需求；何況想法簡單，卻還不知實際是否可行。

七、八月的辦公室空蕩蕩的，大家都趁暑假輪流度假去了；剛加入德州儀器的基爾比還沒有年假可休，只能安分每天上班。或許是這樣的悠閒氣氛，基爾比的主管同意他試試這個提案。基爾比也樂得可以一個人不受打擾地全心思考，大膽實驗，而他也終於打造出將這些電晶體整合在一塊晶片裡的完整電路。

暑假結束，大家都回到工作崗位了。1958 年 9 月 12 日，基爾比在多位主管及同事面前拿出他這塊外觀醜陋的晶片。他稍做解說後，緊張地接上電源與示波器。這是他極力爭取的案子，他可不希望出什麼差錯，壞了名聲。他暗自祈禱一切順利，小心地打開開關，結果在場人士一陣歡呼，他們見證了第一顆積體電路的誕生！

有了積體電路，電腦與各種電子產品才突飛猛進，手機等攜帶式裝置也才得以成真，可以說沒有積體電路的發明，就沒有現代生活。基爾比也因此於 2000 年，成為極少數以工程師身分獲得諾貝爾物理獎的人。

不過目前所用的積體電路其實不是採用基爾比的技術，而是當時快捷半導體（Fairchild Semiconductor）的諾伊斯（Robert Noyce, 後來成為英特爾創辦人之一）所發明的積體電路製造方式。雖然晚基爾比幾個月，但諾伊斯的技術更先進，兩家公司也因此大打專利官司。儘管如此，基爾比在領獎致詞時仍無私地提到：若是諾伊斯還活著的話，肯定會和他一起分享諾貝爾獎。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

一場淋浴的時間，革命性想法突然浮現

1959 年 1 月初，赫爾尼早上起床淋浴時，一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來，他似乎看到了一線曙光，可以解決令大家束手無策的困境！

根據貝爾實驗室的技術手冊，當矽晶圓完成摻雜後，必須用溶劑把表面剩餘的氧化層全部清除乾淨。因為擴散法應該也會把雜質摻入氧化層裡，若沒有全部移除，被汙染的氧化層恐怕會影響電晶體的導電性。不過如此就會讓 p－n 接面裸露在外，所以才必須用金屬外殼加以密封。

赫爾尼當時就懷疑氧化層是否真的會被汙染，就算會，真的會影響電晶體嗎？

他覺得氧化層有隔絕保護作用，保留下來或許利大於弊，但貝爾實驗室與同事都說照著技術手冊做就對了。後來要忙著趕 IBM 的訂單，他就把這想法擱在一旁，未再深入研究，現在他才突然想到如果有氧化層擋著，掉落的金屬碎屑就接觸不到 p－n 接面，也就不會影響電晶體了。

赫爾尼進辦公室後，連忙翻出當初所寫的筆記，重新整理謄寫。而在塗塗寫寫的過程中，腦中又冒出一個革命性的想法。

高臺式電晶體是先用擴散法在集極表面摻雜成基極，再用光刻技術在基極中央蝕刻出窗口，摻雜成射極。但何不一開始就用光刻技術做出基極？這樣底層的集極就不會全部被基極蓋住，集極、基極與射極三者都在同一平面，它們之間的 p－n 接面用同一層二氧化矽保護，只露出接腳的接觸點。由於電極彼此更靠近，效能會更好，而在製造上也更加簡單。

諾貝爾獎級的專利：平面製程

赫爾尼興奮的向諾宜斯與摩爾等人提出這個「平面製程（Planar process）」的構想，大家都半信半疑，違背技術手冊的指示，保留氧化層真的不會有問題嗎？不過目前也沒別的辦法，況且真的成功的話，不僅能解決眼下的問題，還能大幅提升電晶體效能與生產效率，讓快捷半導體的競爭力更上一層樓。他們決定放手一搏，同時趕緊找專利律師申請專利。

「你們希望這項專利涵蓋哪些範圍？」專利律師開頭就先問這個問題。

諾宜斯等人頓時都愣住了，不就電晶體嗎？律師才進一步解釋：「這平面製程不是一種製造方法嗎？除了電晶體，也可以用來製造其他半導體元件吧？」

摩爾見諾宜斯還在出神中，只好出聲回答：「當然可以。要的話，二極體、電阻、電容這些也都可以用平面製程，但意義不大，這些也不是我們的目標市場。」

「為什麼？」

「因為這些元件構造簡單，沒必要用平面製程，純粹看生產規模，規模越大，成本越低。這是德州儀器、雷神這些大公司的優勢，我們只能攻電晶體，以技術取勝。」

律師點點頭：「那就只針對電晶體申請專利保護囉？」

「等一下！」神遊中的諾宜斯突然插進來，卻又思索了一下才說：「還是把其他半導體元件都納進來好了。別誤會，我沒有要做這些東西，只是剛剛想到——如果用平面製程把它們都放在同一片晶圓上呢？」

大家不解的望著諾宜斯，只見他站起來走向黑板，一邊問大家：「你們想想，IBM 拿到我們的電晶體之後，再來呢？」

接著諾宜斯在黑板畫起一個一個小方塊，說：「他們得把電晶體、二極體、電阻、電容這些元件一個個銲接到電路板上。我估計全部至少有幾百顆，甚至上千顆吧，每顆都要接上金屬電路，還得有銲接的空間，結果元件本身所占的空間其實不到一半。」黑板上的圖就像幅地圖，上面坐落著一棟棟平房，空地與道路占了大片土地。

「不只如此。」諾宜斯再用紅色粉筆在小方塊中間畫個小圈圈，說：「每個元件真正有用的只有這裡，其餘只是外殼包裝。你們看，如果只有這些小圈圈，讓它們彼此緊鄰在一起，空間就只有原來電路板的 5% 不到吧。」

大家似乎開始明白諾宜斯要說什麼，但貝仍疑惑的問道：「我可能沒你們懂，但怎麼可能沒有外殼，還緊鄰在一起？它們得有保護，彼此也得分開才不會漏電，不是嗎？」

赫爾尼微笑著替諾宜斯回答：「二氧化矽可以提供保護，也能用來區隔元件。我只想到多做一次光刻技術，但既然能做兩次，當然三次、四次、……要幾次都可以，就能把各種元件都做在一起。」

摩爾接著說：「而且蝕刻出的缺口不僅用於摻雜，也可以蝕刻出複雜的溝槽作為電路。既然每個元件的接觸點都在同一平面，便可以像印刷電路板那樣，直接把銅線印在溝槽上，原來在電路板上的電路就都整合在一個晶片裡了。諾宜斯，這真是絕妙的點子！」

「這得感謝赫爾尼先想出平面製程。不過這只是個概念，具體上要怎麼做，摩爾，我們倆再一起研究。」

貝興奮的說：「這只要做出來，再貴我都賣得出去！我告訴你們，空軍的人一直在問我能不能做得更小呢。因為除了轟炸機，還有導彈、火箭也都要裝上電腦，它們的空間更小，電腦越小越好，到時候這些訂單非我們莫屬。」

被捷足先登的專利申請

的確如貝所說，美國政府正在傾全力推動太空計劃，並加強國防科技。因為蘇聯在 1957 年 10 月 4 日，毫無預警的發射第一顆人造衛星史普尼克一號（Sputnik 1），嚇了美國一大跳，發現原來蘇聯的太空科技竟然遙遙領先。萬一蘇聯將太空科技用於戰爭，勢必會取得空中優勢，甚至危及美國本土。

因此，美國政府除了要軍方強化飛機、飛彈與各項國防武器的性能，同時在 1958 年 10 月成立「國家航空暨太空總署（NASA）」，整合資源與各界人才，以求在這場太空競賽超越蘇聯。軍方與 NASA 都有龐大預算，為了盡速達成任務，都願意採用最新技術，花起錢來也毫不手軟，對快捷半導體而言正是大好時機。

專利律師先針對平面製程申請專利，積體電路則還要等諾宜斯寫出具體方法，才能提出專利申請。不料，諾宜斯和摩爾尚在研究，3 月時竟然被捷足先登，德州儀器召開記者會，發表史上第一顆積體電路！

原來德州儀器的工程師基爾比（Jack Kilby）去年 6 月就提出積體電路的構想，然後在 9 月以手工做出一個晶片雛形，只有電晶體、電阻和電容三個元件，電路另外用金線銲接而成，雖然粗糙簡單，但確實能正常運作。如果德州儀器祭出專利保護，快捷半導體就無法開發積體電路這極具潛力的產品，嚴重影響公司的未來。

辭職風暴

屋漏偏逢連夜雨，在公司前途未卜之際，總經理鮑德溫竟然要辭職。諾宜斯等人錯愕又憤怒，要他當面說清楚。

貝先開口責問他：「鮑德溫，現在公司遇到問題，你身為主帥不面對處理，反而要先落跑，未免太現實了吧？」

「我如果真的現實，去年 IBM 訂單問題搞不定時老早就走了。人總是有更高的目標要追求，就這麼簡單。」

羅伯特忍不住嗆他：「更高？你已經是總經理，權力、薪水與分紅都比我們幾個創辦人高，還有什麼不滿意？」

鮑德溫平靜的回答：「我很感謝你們的禮遇，但總經理也只是受聘的經理人，再怎樣也和你們幾位大股東沒辦法比。」

諾宜斯真摯的說：「你如果嫌認股權太少，可以提出來啊。」

鮑德溫嘆了一口氣說：「那就說開了吧。有家國防承包商願意出資，讓我成立公司製造電晶體，一些工程師也會跟我走。」

「什麼，你也太沒道義了！」「了不起，主帥帶兵投靠敵營。」「你這叛徒！」「你膽敢偷走技術，就等著被告！」憤怒的斥責馬上此起彼落。

「你們有什麼資格說我？你們幾個不也是背叛蕭克利自立門戶？」鮑德溫馬上惱羞成怒，展開反擊：「我不過帶走十幾個人，你們對原公司造成的傷害才大吧。論道義，你們更沒道義！我本想大家好聚好散的，現在也沒什麼好說了。祝你們好運，再見。」說完即頭也不回的走出門外。

會議室裡一片沉寂，大家不約而同想到當年從蕭克利半導體實驗室集體請辭的情景：平時易怒暴躁的蕭克利竟然一句話都沒說，鐵青著臉直接走出辦公室。反倒是貝克曼跑來找他們曉以大義，發現無法挽回後，隨即變臉威脅要控告他們侵權洩密。沒想到如今換他們嚐到這滋味了。

諾宜斯先打破沉默：「我們來討論總經理人選吧。你們有沒有想到誰還不錯的？」

克雷納舉起手說：「我覺得不要再從外面找了，找來難保又跟鮑德溫一樣。就諾宜斯你來當吧，這一年多來，你應該也學到不少經營面的大小事了。」

大家紛紛附議贊同，這次諾宜斯也不再謙讓，決定扛下這重責大任，研發副總一職便交給摩爾。

摩爾趁此時報告積體電路的應對策略：「我們和專利律師討論過了，德州儀器雖然先申請積體電路的專利，但他們的電路仍得用銲接的，而諾宜斯結合了平面製程與印刷電路，這兩項技術都不在他們的設計裡，應該可以認定為新發明。所以我們決定還是申請專利，無論如何，總比棄械投降來得好。」

「沒錯，不用管別人，我們就照原先計劃往前走。等送出專利申請、做出樣品後，我們也要舉辦盛大的積體電路發表會，讓所有人知道誰的技術管用。」諾宜斯馬上展現了總經理的氣勢。

積體電路的專利申請於 1959 年 7 月送出，未待審核結果出爐，本身是發明家的費爾柴爾德就以實際行動展現對他們的信心與支持，提前於 10 月執行選擇權，依當初合約所載，用三百萬買下全部股權。

八叛徒當初每人拿出 500 元，如今兩年不到就換回 25 萬元，當然是美夢成真，也讓外界人人稱羨。不過，卻有兩個人看在眼裡頗不是滋味，那就是蕭克利與貝克曼。

將希望壓在四層二極體的蕭克利

諾宜斯等人出走時，蕭克利仍不認為自己有錯，他得到的教訓反而是認為國內這些心高氣傲的年輕人不聽話又沒忠誠度，不如從歐洲招募三、四十歲的博士，他們更加成熟穩定，好用多了。何況八叛徒本來不懂電晶體，都是他一手教出來的，現在換另一批人，他當然也可以在短時間內就讓他們上手。

因此，無論面對貝克曼或是外界的質疑，他都信心滿滿的堅稱集體離職事件不會有任何影響，實驗室仍將正常運作。

然而，就算貝克曼也這麼認為，他對蕭克利半導體實驗室已有不同想法了。1958 年，貝克曼將它從集團的附屬機構獨立出來為「蕭克利電晶體公司」，顯然已不想再燒錢打造另一個貝爾實驗室，而是要它像一般公司那樣盈虧自負。

蕭克利終於在 1959 年成功開發出 p－n－p－n 四層二極體，卻因為品質不穩定，未能如他原先預想的用於AT＆T 的電話交換機；而軍方那邊也沒能賣出多少，以致公司繼續虧損。

貝克曼決定不玩了，剛好克里夫蘭一家傳統企業也想跨足半導體，而蕭克利的名聲仍有相當吸引力，便在　1960 年將公司賣給他們。

蕭克利倒不在意換新東家，反正他仍然在原地繼續做原來的事，只要解決四層二極體的品質問題，還是有機會從 AT＆T 拿到源源不絕的訂單，到時所有人——尤其是八叛徒，就會知道他才是最後的贏家。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖：蕭克利與八叛徒》，2022 年 7 月，親子天下，未經同意請勿轉載。

文／麥軒誠、林執晰、曾介勇 ｜ 台灣大學物理學系、電機工程學系學生

自從 19 世紀第一台電腦出現¹開始，科學家們對電子科技的改良便從未停歇過，短短的 100 多年間，便從原本整間房間大小的電腦，變成現在能一手掌握的智慧型手機，這其中，電晶體和數位積體電路的出現功不可沒。

立大功的小小小小兵：積體電路

究竟為甚麼我們可以將萬千資訊、各種龐大功能濃縮成一隻小小的手機或是電腦呢？若是拆開各位的電腦或手機，一定可以看見有一塊黑黑方方的東西，這塊號稱電腦與手機的「大腦」，便是所謂的積體電路。

積體電路的構造就像細胞建構人體一樣，是由許多小小的電晶體所組成的，最大的好處即是能在小面積下裝入大量元件，具體到底有多大量呢？日前台積電公布的 3 奈米製程，每平方公釐就能裝載約 2.5 億個電晶體²，也就是說，光是一個指尖大小的積體電路，便能裝入十幾億個電晶體。 

其中，「場效電晶體」（field-effect transistor, FET）是現今積體電路中最常使用的核心元件之一，隨著技術的進步，它的尺寸也不斷縮小，使相同面積的電子晶片上能有更多電晶體和其他元件，並讓資訊科技更快速的發展。

場效電晶體的功能是「控制電流的開關與大小」，當我們透過訊號施加不同電壓在閘極（gate electrode，中上）時，就可以改變汲極（drain，右）與源極（source，左）之間通道（channel）的狀態，並進而改變電流。

那麼一般科學家是如何讓電晶體越來越小呢？讓電晶體更迷你的重點就在於：讓汲極與源極之間的電流通道（channel）變小。

開關失靈、耗電與漏電的技術挑戰

但隨著電晶體的尺寸越來越小，科學家在技術的研發上遇到了三大難題。

首先，傳統電晶體的通道是以矽作為原料，而「閘極」作為電晶體的「工作開關」，當它的尺寸越來越小時，控制通道電位的能力也會下降，也就是說，電晶體作為開關的能力會喪失，就好比一個關不起來的水龍頭。

第二個困境，雖然尺寸變小，但科學家已經難以降低積體電路中所需要的工作電壓了，當工作電壓無法降低時，就會帶來比較高的功率消耗，產生不必要的耗電^註1。

第三個問題，即使傳統場效電晶體已經關閉，當尺寸變小時，會更難完全阻擋電子在通道之間流動，並產生漏電流。在通道變小的情況下，僅是源極與汲極之間的電場便能使電流通過，產生漏電流的問題。

尤其當電子產品的尺寸、臨界電壓都越來越小的情況下，漏電流將造成更嚴重、更明顯的影響！在電晶體未切換開、關狀態時的穩定狀態時，這些漏電流會順著周遭的電壓差亂跑，造成額外的能量消耗，產生不必要的耗電。

同時，這些能量消耗所產出的廢熱也會進一步的影響路徑附近電晶體的工作表現，影響其他電晶體的性能，並出現「過熱」的現象。

新興材料與穿隧式電晶體幫助突破瓶頸！

為了解決這三大難題，近期科學家³研發出了新一代的電晶體——ATLAS – TFET　(atomically thin and layered semiconducting-channel tunnel-FET) 。

ATLAS – TFET 是來自新興材料「平面材料過渡金屬硫屬化合物」(Transition metal dichalcogenide, TMD) 與「穿隧式場效電晶體」(tunnel field-effect transistor, TFET) 的結合，改善了過往電晶體因為小尺寸而帶來的各種缺點。

首先，相比傳統電晶體常用的矽、鍺或三、五族元素作為通道，ATLAS – TFET 的通道原料是平面材料過渡金屬硫屬化合物，而平面材料過渡金屬硫屬化合物可以做到非常、非常的薄，藉此縮減電晶體通道的大小，滿足電晶體尺寸縮減的需求。最棒的是，已經有許多實驗證實，當科學家使用這種材料製作電晶體的電流通道時，就算通道變小、變短，閘極對於通道的控制能力也不會因此而下降！

透過這種材料製作電流通道，科學家終於解決了第一個問題。

此外，研究也顯示，比起傳統場效電晶體，ATLAS – TFET 的次臨界擺幅（subthreshold swing）^註2縮減了許多，而隨著次臨界擺幅下降，ATLAS – TFET 的工作電壓也會變小。

從數據上來看，現代常用的電晶體工作電壓為 0.7 伏特，而 ATLAS – TFET 的工作電壓可以縮小到 0.1 伏特，由此可知，ATLAS – TFET 也完美的改善了第二個問題，讓電晶體的工作電壓變得更低，減少了不必要的功率消耗，避免多餘的耗電。

除了電流通道的材料與眾不同，ATLAS – TFET 採用了「穿隧式場效電晶體」，在這種電晶體的結構中，來自源極的電子會藉由「量子穿隧效應」直接穿隧至通道，並產生電流，也就是說，電流傳導的方式跟傳統場效電晶體完全不同，

綜觀以上三點，ATLAS – TFET 可以說取得充分的突破！雖說目前來看，該電晶體目前仍在實驗「電晶體本身」的性質，還很難馬上被應用在數位積體電路，大家可以想像雖然他的單一「細胞」表現很好，但是還不能很好的跟其他細胞或是組織結合在一起。

雖然 ATLAS – TFET 距離實際應用還有一段距離，但它確實提供了充滿吸引力的研究方向，以期實現理想的工程目標，科學家也表示， ATLAS – TFET 若能跟現行的其他技術整合，我們可以期待未來相關電子元件的功能可以越來越強大！

註解

1. 積體電路所消耗功率，與積體電路中電晶體狀態切換的頻率與電晶體的工作電壓成正比。頻率更快相當於同一段時間內能做更多次操作，這樣才能在更短的時間完成更多事。而以相同頻率的基準比較，更高的工作電壓代表更高的功率消耗，因此抑制工作電壓大小可以非常有效的抑制功率消耗，也就是說，第二個問題導致了多餘功率消耗的問題難以解決，最直接的影響就是會並產生有不必要的耗電。
2. 工作電壓被臨界電壓（threshold voltage）、次臨界擺幅（subthreshold swing）所決定，因為傳統場效電晶體的臨界電壓與次臨界擺幅受到了限制，導致工作電壓幾乎無法再更低。其中，次臨界擺幅（subthreshold swing）的定義為當汲極電流增加十倍時，所需要增加的閘極電壓，是衡量電晶體開、關狀態相互轉換的速率的一項重要性能指標。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

參考資料

1. When was the first computer invented? – Computer Hope
2. TSMC Plans to Start Production of 3nm Plus Process in 2023
3. Deblina Sarkar, Xuejun Xie, Wei Liu, Wei Cao, Jiahao Kang, Yongji Gong, Stephan Kraemer, Pulickel M. Ajayan & Kaustav Banerjee.  A subthermionic tunnel field-effect transistor with an atomically thin channel. Nature 526, 91–95(2015).

有些發明改變人類的生活方式卻不大吸引世人注意，連帶使得發明者淪為一個陌生的名字。傑克·基爾比（Jack Kilby, 1923－2005）與他發明的積體電路（integrated circuit, 簡稱 IC）就是一個例子。

基爾比於 1958 年 5 月加入德州儀器之前，已經在另一家電子公司工作了十年。當時小巧的電晶體已經取代笨重的真空管，但要將電阻、電容、二極體、三極體這些元件個別一一焊接在電路板上，不但耗時費工，又容易出錯。而且電路板尺寸得維持一定大小以上，電子產品就很難繼續縮小化。

基爾比有個大膽的想法：一開始就將這些不同元件做在同一塊晶片上，並在晶片內用電路連接起來，如此就可大幅縮小電路板尺寸了。這其實不算是多麼天才的創見，但當時似乎沒有開發積體電路的迫切需求；何況想法簡單，卻還不知實際是否可行。

七、八月的辦公室空蕩蕩的，大家都趁暑假輪流度假去了；剛加入德州儀器的基爾比還沒有年假可休，只能安分每天上班。或許是這樣的悠閒氣氛，基爾比的主管同意他試試這個提案。基爾比也樂得可以一個人不受打擾地全心思考，大膽實驗，而他也終於打造出將這些電晶體整合在一塊晶片裡的完整電路。

暑假結束，大家都回到工作崗位了。1958 年 9 月 12 日，基爾比在多位主管及同事面前拿出他這塊外觀醜陋的晶片。他稍做解說後，緊張地接上電源與示波器。這是他極力爭取的案子，他可不希望出什麼差錯，壞了名聲。他暗自祈禱一切順利，小心地打開開關，結果在場人士一陣歡呼，他們見證了第一顆積體電路的誕生！

有了積體電路，電腦與各種電子產品才突飛猛進，手機等攜帶式裝置也才得以成真，可以說沒有積體電路的發明，就沒有現代生活。基爾比也因此於 2000 年，成為極少數以工程師身分獲得諾貝爾物理獎的人。

不過目前所用的積體電路其實不是採用基爾比的技術，而是當時快捷半導體（Fairchild Semiconductor）的諾伊斯（Robert Noyce, 後來成為英特爾創辦人之一）所發明的積體電路製造方式。雖然晚基爾比幾個月，但諾伊斯的技術更先進，兩家公司也因此大打專利官司。儘管如此，基爾比在領獎致詞時仍無私地提到：若是諾伊斯還活著的話，肯定會和他一起分享諾貝爾獎。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。