2　“硅”的解锁：半导体材料战争

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失。

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”，它们大多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，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。

从西部“淘金地”，再到“点石成金”的“硅谷”，一个普通的旧金山南方小城，不仅拥有仙童半导体公司、英特尔、谷歌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。硅谷用了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？

以硅砂为原料的半导体行业兴起，源于一个儿子想要从大城市回乡的愿望。

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——加州的圣塔克拉拉县，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“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）。

此前，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。

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，为什么最后只有硅脱颖而出，成为集成电路的基础，并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。为了便于读者理解，可以从三个历史事件中得到至关重要的线索。

事件一　1956年，肖克利半导体实验室有限公司的成立

1956年6月，肖克利从贝尔实验室辞职，回到老家——位于美国加利福尼亚州的圣塔克拉拉县，创办了肖克利半导体实验室有限公司。当时，美国绝大多数高科技研究中心都位于美洲大陆的东海岸。位于美国西海岸的硅谷，后来之所以能够汇聚并孵化出一大批电子企业尤其是半导体公司，正是始于肖克利的这次回归。

在贝尔实验室工作期间，肖克利参与研发了世界上第一个晶体管（图1-2-1），使他声名鹊起，但这块晶体管，其实跟硅并无关系，是由锗制造的。肖克利非常确定，硅将最终取代锗，作为晶体管结构的主要材料。

返乡之后，肖克利组建了一个由年轻科学家和工程师组成的团队，其中一些成员还来自贝尔实验室，成为硅谷第一家从事硅基半导体器件研发的高科技公司。

肖克利实验室，被认为是“硅谷的出生地”，它的诞生对于半导体产业有着重要意义。

事件二　1959年，仙童半导体实现集成电路规模化制造

尽管肖克利奠定了硅晶体管的发展方向，但他的实验室却连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——仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）。

1957年末，8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，成立了仙童半导体公司（以下简称仙童）。肖克利暴跳如雷，大骂他们是“八叛逆”。

次年，拥有两个博士学位的金·赫尔尼（图1-2-2），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，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。

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。

其逻辑和现在的芯片制造类似，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，就可以在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过程变得十分简单高效。

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。从此，一次性制作集成电路的时代开始了。随着扩散型硅晶体管的大量上市，仙童打败“锗集成电路”，跃升为跟德州仪器同台竞技的半导体新贵。

事件三　1980年，美日半导体战争

肖克利与仙童催生了全球半导体产业。到了2018年，全球前五大硅晶圆供货商分别是日本信越化学、日本三菱住友（SUMCO）株式会社、中国台湾环球晶圆、德国世创（Siltronic）和韩国LG。其中，没有一家是美国的企业。

这种切割和产业轮替有一条不那么精确的时间分割线，那就是1980年。

在此之前，美国厂商是毫无疑问的半导体材料领军者，而英特尔是当之无愧的航标。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，也有不少企业虎视眈眈。新兴的电子产业（尤其是硅晶体管）吸引了美国其他企业以及海外同行的注意。孟山都公司（以下简称孟山都）的两家研究实验室（圣路易斯和俄亥俄州）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。伴随着英特尔等一批“前辈”开始向微处理器转型，硅片制造的买卖就开始被孟山都垄断。到了1979年，孟山都成为全球硅晶片供应商的龙头，占据了美国80%的FZ单晶业务。

与孟山都同时开始切入硅晶圆市场的，还有日本厂商。20世纪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。但日本不甘于一直做替代品，1971年，日本通商产业省（以下简称日本通产省）制订了赶超美国半导体产业的计划，1976年成立“超大规模集成电路技术研究组织”，日电NEC、富士通、日立、东芝、松下等厂商都有投资，并顺利实现了技术突破，在存储领域，日本开始与美国并驾齐驱。加上20世纪80年代美国经济衰退，日本企业的效率优势进一步放大。到2000年，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商手中。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，而北美和欧洲仅各占15%左右。

除了核心的硅晶圆，国际半导体产业协会的数据显示，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的优势已经不再，但在半导体材料方面，却仍占据着主动权。

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。从美国硅谷到日本东京的材料技术与产业变迁，映射着一个另类的半导体宇宙。其中有三个关键点是突破半导体封锁必不可少的。

1.持续创新的商业眼光

起初，美国半导体企业都认为日本制造擅长模仿，但是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，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

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，所以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。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。

3.电子产业的强势拉动

从1960年开始，日本企业NEC开始研发集成电路，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，日本的电子产业也能够为材料厂商提供出口。集成电路市场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，半导体材料厂商自然同气连枝。

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光辉。