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中国光伏20年:江湖风云录(六)
2021-02-26 07:53:56   来源:中国有色金属报    点击:

 
责编·作者:云翀
 
  套用每年回顾行业的习惯用语:对于多晶硅-光伏行业来说,“2020年是不平凡的一年”。无意间回想才发现,这“不平凡”,我竟已写了10年,从专职光伏记者,到投资多晶硅、光伏产业的工程公司职工,10年来,多晶硅-光伏行业始终牵动着我的思绪。这“不平凡”,绝非简单地写作习惯和照搬套用,而是从本世纪初至今,中国的多晶硅-光伏行业在短短20年时间里,风云变幻、沉浮轮转,已极尽浓缩了其他行业几十年甚至上百年的发展轨迹。
 
  “一切向前走,不能忘记走过的路;走得再远、走到再光辉的未来,也不能忘记走过的过去,不能忘记为什么出发。”值此“十三五”收官、“十四五”开局的关键节点,站在“两个一百年”的交汇关口,回望行业的发展历程,希望能在兴替得失间以笔承史,为下一段路途积蓄稳健前行的力量。
 
  以为纪念、以为祝愿。
 
 
  缘起:光伏诞生
  (19世纪~20世纪60年代)
 
 
  仙童半导体
 
  在《美国印象》栏目拍摄的纪录片《硅谷》里,肖克利口中的“叛徒”得到了关注。
 
  这8个人除了“八叛徒”,还有“八天才”的称号,他们是来自菲尔科公司的诺依斯、霍普金斯大学应用物理实验工作室的摩尔、通用电气制造工程师克莱尔、加州理工学院博士赫尔尼、斯坦福大学研究员格里尼,其他几位是克拉斯特、罗伯茨和布兰克。
 
  他们的年龄都在30岁以下,风华正茂,学有所成,处在创造能力的巅峰。他们之中,有获得过双博士学位者,有来自大公司的工程师,有著名大学的研究员和教授,这是当年美国西部从未有过的英才大集合。其中,诺伊斯在加入肖克利实验室不久就发现了半导体的隧道反应,但是被肖克利否决了。第2年,日本的江崎玲于奈发表了类似的研究成果(1973年因此获得了诺贝尔奖)。诸多类似的事情,使具有创新精神的年轻人颇受打击。
 
  克莱尔给纽约海登斯通投资银行写了一封投资计划书。信中写道:“我们是一个经验丰富、技能多样的团队,我们精通物理、化学、冶金、机械、电子等领域。我们能在资金到位后3个月内开展半导体业务。”这封信被转交到当时还在海登斯通投资银行做银行职员的阿瑟·洛克(后被称“天使投资之父”)手上,他敏锐地觉察到了半导体行业的光明前景。说服老板巴德·科伊尔,一起飞到硅谷与这帮年轻人碰面并鼓励他们。
 
  1957年9月18日,被《纽约时报》称为人类历史上10个最重要日子之一,“八天才”集体向肖克利提出辞呈。肖克利暴跳如雷,认为这种行为欺师灭祖——除了诺伊斯,其他人都在他的指导下学习核心晶体管技术,如今他们却要利用这些技术自立门户。
 
  离开肖克利实验室,他们找到了一家地处美国纽约的摄影器材公司来支持他们创业,这家公司名称为Fairchild,音译“费尔柴尔德”,但通常意译为“仙童”。仙童摄影器材公司的前身是谢尔曼·费尔柴尔德1920年创办的航空摄影公司。要知道,费尔柴尔德不仅是企业家,也是发明家。他的发明主要应用于航空领域,包括密封舱飞机、折叠机翼等。由于产品非常畅销,他在1936年将公司一分为二,其中,生产照相机和电子设备的就是仙童摄影器材公司。当时,已经60多岁的费尔柴尔德决定提供3600美元的种子基金,帮助“八天才”开发和生产商业半导体器件。
 
  于是,硅谷第一家由风险投资创立的半导体公司——仙童半导体公司诞生了。
 
  作为附加条件,费尔柴尔德拥有对仙童的决策权,并有权在8年内以300万美元收购所有股份。
 
  1957年,在距离肖克利实验室不远的地方,“仙童”们决定要制造一种双扩散型晶体管,以便用硅来取代传统的锗材料,这是他们在肖克利实验室尚未完成却又不受肖克利重视的项目。随后,他们分工协作,针对扩散工艺、平面照相技术开展研究。当时,其他的半导体公司都在采用锗工艺,而仙童半导体早在1958年就利用台面型工艺生产处第一批晶体管2N697。当时,赫尔尼已经能够把硅表面的氧化层挤压到最大限度,并形成了仙童制造晶体管的独特平面处理技术,让硅晶体管的批量生产成为可能。
 
  从“锗”到“硅”,全球半导体“硅”时代技术路线的确立,也正式预示和宣告着全球半导体产业原有的游戏规则悄然破碎。
 
  1958年,仙童公司的销售经理在报纸上读到一篇报道,得知IBM正在为美国空军设计一台用于导航的计算机,但苦于无法找到合适的晶体管。当时,德州仪器虽然早已生产出晶体管,但是却未能通过IBM的测试。仙童意识到,机会来了!
 
  当时,IBM是世界上最大的计算机公司,而仙童却是一家刚成立不久又毫无名气的小企业,想拿到订单机会渺茫。通过坚持不懈的努力,他们向IBM的工程师介绍了自身在硅晶体管方面的研究成果,并承诺一定可以如期生产出符合要求的硅晶体管。
 
  终于,仙童接到IBM公司的第一张订单:IBM以150美元的单价订购了100个硅晶体管,用于该电脑的存储器。按照美国人的说法,为了保质按时完成IBM的订单,仙童半导体公司的8位年轻人根据各自专长作了分工:诺伊斯与拉斯特负责硅晶片的蚀刻;霍尔尼负责晶片的扩散工艺;罗伯茨负责硅晶片的切割和打磨;摩尔负责设计和建造熔炉;克莱尔与布兰克负责加工设备的研制及制造工艺的改进;格里尼克负责产品的测试。被肖克利压抑了2年的积极性与创造力在此刻全然迸发出来了,仅半年时间,第一批双扩散NPN型硅晶体管问世,100个晶体管如期交付到IBM手中。
 
  随后,仙童公司业务迅速发展,到了1958年底,就拥有了50万元销售额和100名员工。只用了3年时间,年收入就超过了2000万美元,成为行业第二大公司(第一是德州仪器)。在此过程中,一整套制造晶体管的平面处理技术也日趋成熟。
 
  仙童公司制造晶体管的方法也与众不同,他们首先把具有半导体性质的杂质扩散到高纯度硅片上,然而在掩模上绘好晶体管结构,用照相制版的方法缩小,将结构显影在硅片表面氧化层,再用光刻法去掉不需要的部分。扩散、掩模、照相、光刻,整个过程叫做平面处理技术,它标志着硅晶体管批量生产的一大飞跃,也为仙童打开了一扇奇妙的大门,使他们看到了希望的曙光,用这种方法既然能做一个晶体管,为什么不能做几十个、几百个,乃至成千上万个呢?
 
  1959年2月,德州仪器的基尔比申请了第一个集成电路的消息传来。这令诺伊斯十分震惊。这里不得不提及一下,早在1952年,基尔比就意识到晶体管电路的局限性——对于一些稍微复杂电路,往往需要成百上千个晶体管,过多的元件及连线必然会使得电路的体积、速度、可靠性以及价格等大受影响。从那时起,基尔比就开始思考电路微型化的问题了。1958年,原本在全球联合公司工作的34岁的基尔比得知德州仪器在进行有关“微组件(micro-module)”的研究——正好与自己对电路微型化的构思不谋而合,所以他来到了德州仪器工作。1958年7月24日,基尔比在工作笔记上写到:“由很多器件组成的极小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。同理,由电阻、电容、二极管和三极管组成的电路是可以被集成在一块晶片上。”他记下了关于如何把这几种器件集成在一起的想法和实际应用,甚至构想了用这一方法生产一个具有完整功能的电路的工艺流程,随后用硅做出了分立的电阻、电容、二极管和三极管,然后连接成一个触发电路,由此将异质的晶体管线连接在一起。
 
  1958年8月28日,基尔比完成了这一尝试,结果令人非常满意。一直以来,德州仪器关于“微组件”的研究思路是使用标准的微型化元器件,通过简化的内部连线来组成功能模块。但基尔比深知这不是一个“治本”的办法,他的构想是将晶体管与电阻、电容等元器件放在一块半导体晶片上,再通过连线组成相应的功能电路,这就是“全半导体化”。1958年9月12日,TI公司的高层齐集实验室,基尔比自信地向他们展示了集成在一块长7/16英寸、宽1/16英寸的锗片上的震荡电路,电路的连线则用胶水粘在玻璃载片上。后来,这一天被称为集成电路的诞生日,标志着微电子工业革命的开始。
 
  “全半导体化”也就是电阻器和电容器(无源器件)可以用与晶体管(有源器件)相同的材料进行制造,另外,既然所有元器件都可以采用同一块材料进行制造,那么这些部件就可以先在同一块材料上就地制造,再进行互相连接,最终形成完整的电路。这个想法后来在诺伊斯的笔记本上也出现了如出一辙的表述。
 
  基尔比的发明专利也同德州仪器公司一样出现了难题。基尔比展示的纯手工打造的集成电路是基于锗晶圆而不是性能更为优异的硅晶圆,另外,电路的连线也只是用金线将各个元件小心翼翼地通过飞线“粘”在一起。如何在硅片上进行两次扩散和导线互相连接?诺伊斯提出,可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线,这是解决元件相互连接的最好途径。于是,仙童半导体公司开始奋起疾追。而诺伊斯设想的集成电路,则是基于仙童的另一位创始人赫尔尼发明的半导体平面工艺处理技术,这使得实现目标不需任何外部导线的连接(比起基尔比手工作品要“精致”得多),且还可以制作出更为复杂的集成电路。
 
  1959年7月,仙童递交了关于集成电路的专利申请,与德州仪器的专利不同,诺伊斯的专利更侧重于生产工艺,重点体现在“为不同半导体区域间的互联提供了以元件为导向的架构,使单一电路的结构更为紧凑,轻松实现更小尺寸的元件的组装,推动同一板块上装配更多的元件。1个月后,仙童半导体在一个国际电子展上展示了他们的首块“集成电路”,这是由拉斯特(仙童创始人之一)用4个晶体管在陶瓷板上拼凑出的一个触发电路。4个晶体管在陶瓷板上拼凑出的一个触发电路——这第一个所谓的集成电路样品。严格意义上说也并不能算集成电路,但却展示了仙童对于“集成电路”的一个理念——由一个细小外壳封装的完整电路。
 
  发布第一个样品之后,很快,“八天才”就将杰克·基尔比的试验进行了改进,采用蒸发沉积金属的方法取代焊接导线,轻松解决了元件之间互相连接的问题,进而实现了集成电路大规模量产的可能,同时,仙童公司以最快的速度申请了发明专利(1959年7月30日)。这一过程,也使基尔比和仙童在专利领域一直存有争议,直到1966年,基尔比和诺依斯共同获得富兰克林学会之巴兰丁奖章,基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”;诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论的人”,1969年,美国联邦法院判决宣布,从法律上确认集成电路是一项共同的发明——由此,这场专利战才画上句号。
 
  1960年,费尔柴尔德决定以规定的300万美元收购公司的所有权,这再度打击了“八天才”,人心思变,再度陆续叛逃。先是拉斯特、赫尔尼和罗伯茨等3人创办了Amelco,后来克莱纳出走创办了Edex,后来又创办了Intersil……最后“八叛逆”之首的诺伊斯和摩尔带着格鲁夫也离开了仙童,创立了现在大名鼎鼎的因特尔。还有很多我们耳熟能详的公司,比如AMD、国半等也是那个时期由仙童员工出走建立的。总之,他们是美国半导体专业人才的“西点军校”和“摇篮”,后期很多半导体巨头都与其有关联。
 
  乔布斯对此这样比喻:“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。”
 
 

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