晶元破壁者：半導體「硅」鋪就的文明階梯
文 | 腦極體
在歷史學家湯因比眼中，人類社會發展的規律即「挑戰和應戰」，文明即是在「挑戰和應戰」這對矛盾中誕生和延續的。應戰成功，文明可以繼續向前發展，反之則會導致文明的流產。
在半導體不算漫長的歷史進程中，出現過無數個這樣的「挑戰與應戰」。它們大部分時候，是由某一個企業或國家，施與另一個競爭對手的。
那些被狙擊的產業體系，就如同被三體人派出的「智子」鎖死了一樣，再也無法實現科技升級，進而失去了向前發展的可能性。
所以，當我們探討如何走出半導體產業封鎖的囚籠，突破一個個「智子」的封鎖就變成了核心要務。
其中一個非常重要的「智子」，叫做——「硅」。
作為世界的創新中心，矽谷不僅擁有仙童、英特爾、谷歌等等明星企業和富可敵國的資本，更影響了全人類的生活方式與文明進程。
從西部「淘金地」，再到「點石成金」的「矽谷」，這個普通的舊金山南方小城，用不到百年的時間與「硅」結下不解之緣？又為何在成為高科技之都後，失去了對「硅」材料的統治權？
帶著這些問題，我們一起踏上今天的陽光加州之旅。
從矽谷到東京：硅的三個瞬間歷史的許多重大轉折，往往源於微末處的機緣巧合。少有人會想到，以硅砂為原料的半導體行業興起，是源於一個兒子想要「逃離北上廣」回鄉的願望。
1956年，因為母親年事已高，肖克利辭去了貝爾實驗室的工作，回到了故鄉——加州的聖克拉拉谷，也就是後來的矽谷。
在此之前，舊金山灣區最為人熟知的礦藏是金子。而肖克利的到來，為這裡開啟了第二次「Gold rush」淘金熱，資本和人才瘋狂湧入的目標，則是新時代白色的金子——半導體硅（Si）。
在肖克利之前，關於半導體材料的研究已經持續了上百年。人們發現，許多元素和化合物具有半導體性質，在常溫之下的導電性能處於導體與絕緣體之間。
因為導電性可控，半導體非常適合用來製作電子元器件。
比如1874年，卡爾·費迪南德·布勞恩發明了第一個半導體器件——晶體探測器。1906年，美國工程師格林利夫·惠蒂爾·皮卡德則開發出了一種硅射電晶體探測器，這也是第一個硅半導體器件。1941年，第二次世界大戰期間，高純度鍺和硅晶體也開始被應用在雷達微波探測器上。
理論上，所有半導體都可以用來製造現代生活不可或缺的晶元，為什麼漫長的變革之後，只有硅脫穎而出，成為集成電路的基礎，也成功晉陞為最具商業價值的材料呢？
其實一開始，硅並不是集成電路的第一選擇，它的崛起歷經了一個漫長的時期。
為了不陷入細枝末節的「故紙堆」，我們為這趟時光旅行設置了三個坐標：
坐標一：1956年，加州，晴，宜除舊從新
「矽谷」(Silicon Valley)一詞首次出現在出版物上，是一位名為唐·霍夫勒 (Don Hoefler) 的記者。1971年1月11日，他在為周刊 《電子新聞》撰寫報道時，將一批電子企業尤其是半導體公司在聖塔克拉拉縣蓬勃興起的景況，定題為《美國矽谷》。
而所有故事的開頭，都會「倒帶」回1956年6月，肖克利離開貝爾實驗室回到老家，創辦肖克利半導體實驗室有限公司的那一天。
弔詭的是，讓肖克利聲名鵲起、收穫了諾貝爾物理獎的——世界上第一個晶體管，卻跟硅毫無關係，它是由鍺製造的。
一個小小的金屬箭頭，插在一塊平板鍺上，一問世就把真空管送進了墳墓。隨後，貝爾實驗室對外授權晶體管專利，直接帶動了鍺的流行。直到1950年代末，鍺都是晶體管和其他半導體器件的主要材料。
世界上第一個晶體管
在這樣的背景下，肖克利出走創業，要做硅晶體管的消息，就顯得十分匪夷所思的。畢竟在他離開貝爾實驗室的時候，他並沒能如預想的那樣，製造出一個利用硅製成的場效應放大器裝置。
沒有這位「矽谷」第一公民的堅持，今天的半導體行業必定是另一番景況。
之所以堅持要用硅替代鍺來做晶體管，一是考慮到成本。鍺是一種稀有元素，在地殼中的含量少，礦藏還分布分散，導致價格高昂，難以大規模生產。而硅作為地殼中第二豐富的元素，在成本上很佔優勢。
二來，當時晶體管最大的客戶是美國政府和軍方，他們希望將晶元運用在火箭和導彈上，這就需要晶體管能夠耐高溫、抗劇烈震動，在200℃也能穩定運行。但鍺晶體管的耐受溫度只有80℃，顯然不符合要求。只有硅有這個潛力。
第三，當時高純硅的工業提煉技術已經成熟，而鍺則很難提煉到足夠的純度，這就導致晶體管性能低下。
硅晶體管的商業價值，還是更高性能的發明，少有人能抗拒這樣「名利雙收」的誘惑，肖克利的出走也就成了必然。
光環加身的肖克利，很快吸引了諸多工程師慕名加入，其中就包括硅晶體管先驅金·赫爾尼Jean Hoerni。
坐標二：1959年，查爾斯頓路，雷陣雨，宜自立門戶
有意思的是，儘管肖克利最先奠定了硅晶體管的發展方向，但他的實驗室卻一個硅晶體管也沒能生產出來。
真正讓硅晶體走入市場的是另一家公司——仙童半導體(Fairchild Semiconductor)。
1957年底，八個年輕人受不了肖克利的臭脾氣，集體辭職，在矽谷租了一間小房子，成立了仙童。肖克利暴跳如雷，大罵他們是「八個叛徒」。
次年，擁有兩個博士學位的金·赫爾尼，用被他稱作「大學水平」的物理知識，發明了一種平面工藝技術(planar technology),來使用硅製造晶體管。
後來，這項技術被評定為「20世紀意義最重大的成就之一」，並奠定了硅作為電子產業中關鍵材料的地位。成立仙童的八叛徒
到底是一種什麼技術呢？
此前，大部分電路都是靠人工，將單個的晶體管、電阻器、電容器和二極體連接在電路板上的。
赫爾尼則提出了一種光學蝕刻的處理方法，可以在矽片平面上將集成電路生產出來。
方法和現在的晶元製造邏輯類似，先手工畫出布局圖，然後做成透光片，在光滑的矽片上塗上感光材料，用紫外線/激光投射上去，黑暗區域和線條就會留在矽片上，再用酸液清洗，重複幾次，就可以硅晶圓上得到大批晶體管。
這種平面處理工藝，將原本複雜的高台式晶體管製造變得十分簡單高效。如果原來是搭樂高積木，現在就是複印機列印。
1959年，赫爾尼跟諾伊斯開會的時候，提交了這個工藝的最新版本。一次性製作集成電路的時代開始了。（赫爾尼）
1961年，仙童發布了首款硅集成電路，一共容納了4個晶體管。到1965年的時候，帶有64個元件的晶元就在路上了。
隨著擴散型硅晶體管的大量上市，仙童成功「路徑正確」打敗「鍺集成電路」，躍升為跟德州儀器同台競技的半導體新貴。
坐標三：1980年，日本東京，颱風，宜搶佔先機
肖克利與仙童，催生了矽谷的半導體產業。然而今天全球前五大硅晶圓供貨商中，前五名分別是日本信越化學、SUMCO（三菱住友株式會社）、中國台灣環球晶圓、德國世創（Siltronic）和韓國LG。
它們佔據了全球90%以上的矽片供應，沒有一家是美國的企業。
這種切割和產業輪替是怎樣發生的？
一條不那麼精確的時間分割線，出現在了1980年代。
在此之前，美國廠商是毫無疑問的半導體材料領軍者。
其中，英特爾是當之無愧的航標。
由於看到了半導體計算機存儲器的商業潛力，戈登·摩爾和羅伯特·諾伊斯從仙童出走，創辦了英特爾公司。
通過力推硅晶元，英特爾先後打敗了競爭對手摩托羅拉、德州儀器、IBM等，成為半導體存儲（DRAM）領域的霸主。硅晶元等於半導體晶元的產業地位，也就此塵埃落定。
在英特爾大舉進步的同時，也有不少企業在虎視眈眈。
20世紀50年代開始，新興的電子產業（尤其是硅晶體管）就吸引了美國其他企業以及海外同行的注意。
孟山都的兩家研究實驗室(聖路易斯和俄亥俄州代頓)，都開始研究硅材料。1959年，孟山都MEMC的ST·PETERS工廠開工建設，生產晶體管和整流器材料「超純硅」，並先後解決了許多技術難題。比如第一個在矽片清洗過程中使用臭氧，採用化學機械拋光等等。而伴隨著英特爾等一批「前輩」開始向微處理器CPU轉型，矽片製造的買賣就開始被孟山都壟斷。
到了1979年的時候，孟山都成為全球硅晶片供應商的龍頭，其業務佔據了美國80%的FZ單晶。
而與孟山都同時開始切入硅晶圓市場的，還有日本廠商。
50年代末，日本先後成立了小松電子金屬、信越半導體、東洋硅等公司，開始了技術引進。
儘管技術落後於美國，但也憑藉低廉的成本和價格搶佔了不少市場份額。
偏偏日本不甘於一直做替代品，1971年，日本通產省制定了趕超美國半導體產業計劃，1976 年成立「超大規模集成電路技術研究組織」，NEC、富士通、日立、東芝、松下等廠商都有投資，試圖技術反超。（關於日美半導體戰爭的報道）
當追隨者開始進入競爭者象限，一切就都變了。美日之間的貿易摩擦，自然而然輪到了半導體行業。
1977年開始，雙方不斷地談判、簽訂協議，直到1996年才基本宣告結束。而在整個過程中，日本的技術突破順利完成，在存儲領域，日本開始與美國並駕齊驅。
技術的持續進步，加上80年代美國經濟衰退，日本企業的效率優勢進一步放大。到了2000年的時候，儘管以孟山都為代表的美國廠商仍然在技術上佔據優勢，但產業話語權已經移交到日系硅晶圓廠手中。美日簽訂半導體協議
2005年，日本信越佔全球300mm晶圓的50%市場份額，日系廠商則佔據了全球65%的市場份額，而北美和歐洲僅僅各佔15%左右。
除了核心的硅晶圓，國際半導體產業協會（SEMI）的數據顯示，在光刻膠、鍵合引線、模壓樹脂以及引線框架等重要的半導體製造材料上，日本也處於絕對的領導位置。
直到今天，儘管日本企業在消費半導體領域已經優勢不再，但在半導體材料方面，卻佔據著主動權。
2019年7月1日，當日本經濟產業部宣布加強對韓國的半導體材料出口管制時，三星電子、SK海力士等韓國半導體企業立即拉響了警報，也讓關於半導體材料的「卡脖子」風險，進入了草木皆兵的國人眼帘。
打開「智子」封鎖，誰是半導體材料的破壁人縱觀以硅為基礎的半導體材料發展歷史，從美國矽谷到日本東京的技術與產業變遷，也映射著一個另類的半導體宇宙：鎖住產業發展進階的「智子」，究竟有哪些？
如果非要總結出點所以然的話，有三個關鍵是必不可少的：
1. 持續創新的商業眼光。
無論是肖克利對硅晶體管的技術信仰，還是仙童與德州儀器的集成電路方向之爭，亦或是日本半導體產業冒著貿易摩擦風險下的不讓步，無不說明伴隨著外界壓力不斷進行新的技術研發，有多麼重要。
每一次技術的發展，都會帶來設備的更新需求與投資增長。
起初，美國半導體企業都認為日本製造擅長模仿，但當日本企業投入大量資金進行技術研發和產品創新時，一切都不同了。
反觀孟山都，在競爭失利後轉型進入清潔能源領域，甚至改名SunEdison，最後仍然沒能逃脫破產的命運。
一個企業乃至一個國家的技術話語權，就在這樣永不停歇的追趕中鑄成。
2.精益管理的高端製造。
日本半導體材料企業能夠崛起，與其精益求精的生產製造不無關係。
半導體產品對硅晶圓的純度要求很高，正是因為製造難度大，技術迭代快，製造設備更新頻繁，這些都要求材料企業需要有嚴苛的精益管理能力來控制成本、提升效率，從而確保盈利能力。
「錙銖必較」的高端製造，或許是半導體領域十分「重工業」的部分，也是解開商業價值必不可少的支撐。
（日本「硅島」）
3.電子產業的強勢拉動
如果1980年代，美國對日本推出「實體清單」，日本硅晶圓廠商還能佔據這一關鍵的發展時間窗口嗎？
歷史不能假設，但可以推演一番，從1960年開始，日本的NEC開始研發IC，東芝、日立也都在存儲領域爭奪市場份額。
即使美國晶元製造商做出封鎖，那麼日本的電子產業也能夠為材料廠商提供出口。
集成電路的發展對硅晶圓材料產業有著至關重要的影響，更是驅使其技術更新迭代的核心動力。
放棄了自主產權晶元產業發展的市場，半導體材料自然同氣連枝。
在人類歷史長河中，像硅這樣「點石成金」的奇蹟並不多見。
它所演繹的材料傳奇，點燃了加州的電子之光，也伴隨著半導體組件在人類社會的每一個角落閃爍著它的光輝。
