人类历史上第一个集成电路使用什么仪器制作的？

说起人类历史上第一个集成电路，那可不是随便哪个工厂里流水线就能搞定的。那是一项开创性的技术，它的诞生离不开当时顶尖的科学仪器和那些充满智慧的工程师们。

那个时代，集成电路的制作，更像是在实验室里进行一场精密的科学实验，而不是现代化的工业生产。 首先，要做出第一个集成电路，最核心的要件就是一块高品质的、纯净的半导体材料。那时候，还没有我们现在熟悉的硅晶圆。德国的西门子公司在这一领域做了很多开创性的工作，他们使用的“区域熔炼法”（Zone Melting）技术，可以说是在那个时代制作高纯度半导体材料的“神器”。

这项技术是这样的：他们会拿一根长条状的半导体材料（比如锗），然后在它的一端加热，将一小段材料熔化。接着，这个熔化区域会沿着长条缓慢移动。由于杂质通常会留在熔化区域，而不是随着固化重新结晶，所以随着熔化区域的移动，杂质就会被“拖拽”到材料的一端。经过多次重复这个过程，就能得到非常高纯度的半导体材料。所以，你可以想象一下，不是一个巨大的机器，而是一个精密的加热设备，配合着一个可以精确控制移动速度的装置，就像是一个缓慢而有耐心的“净化器”。

有了高纯度的半导体材料（通常是锗），接下来就是要在上面“雕刻”出电路。这可不像我们现在用激光切割那么简单。那时候主要依靠的是“光刻”（Photolithography）技术，不过和现在比起来，那是非常原始的光刻。

你需要先在半导体材料表面涂覆一层光敏感材料，叫做“光刻胶”。然后，你需要制作一个“掩膜版”（Mask）。这个掩膜版上刻画了你想要在半导体上形成的电路图案，就像一张制作精美的“底片”。当时的掩膜版制作，可能更像是用非常精密的工具在玻璃上进行蚀刻，或者用非常细的金属丝进行描绘。想想看，要刻出肉眼几乎看不到的电路，这是多么精细的活儿。

然后，将掩膜版紧密地贴合在涂有光刻胶的半导体材料表面，然后用紫外光照射。光线穿过掩膜版上透明的部分，照射到光刻胶上，使被照射到的光刻胶发生化学变化，变得可以被溶解。这里用到的“紫外光源”，可能不是我们现在想象中的那种强大的工业级紫外灯，而是一些实验室里能获得的、强度相对可控的紫外光源。

光照过后，用特定的化学溶剂去冲洗，将暴露在光下的光刻胶洗掉（或者没被照到的洗掉，这取决于光刻胶的类型和工艺）。这样，半导体材料表面就根据掩膜版的图案，形成了一层保护层（未被洗掉的光刻胶）和裸露的半导体材料。这时候就需要用到化学试剂，比如特定的酸或者碱，来精确地“蚀刻”掉裸露的半导体材料。这个过程对化学试剂的浓度、温度、时间都有非常严格的要求。

在蚀刻之后，还需要进行“掺杂”（Doping），也就是在半导体材料的特定区域引入杂质原子，改变它的导电性，形成晶体管的各个部分（如发射极、基极、集电极）。那时候的掺杂方法，一种常用的方式是“扩散法”（Diffusion）。

扩散法是这样的：将加工好的半导体材料放在一个高温的炉子里，同时通入含有杂质原子的气体。在高温下，杂质原子会从高浓度区域向低浓度区域扩散，逐渐渗入到半导体材料的内部，并沿着预先设定的图案分布。这个“高温炉”和“气体控制系统”是关键的仪器。它需要能够提供非常均匀和稳定的高温环境，同时精确控制通入气体的流量和成分。这就像是在一个密闭的盒子里，用一种特别的气体“熏陶”半导体，让杂质原子一点点渗透进去。

当然，还有各种精密的测量和检测仪器贯穿始终。 比如，用来测量材料电阻率的设备，用来观察材料表面形貌的显微镜（那时候的电子显微镜还没有普及，可能更多的是利用光学显微镜配合精密的测量技术）。

所以，总结一下，第一个集成电路的诞生，主要依赖的是：

区域熔炼设备： 用于提纯半导体材料。
高精密的掩膜制作工具： 可能是用微机械加工或者光学手段制作图案。
紫外光源和化学蚀刻设备： 光刻和蚀刻出电路结构。
高温扩散炉和气体控制系统： 进行掺杂工艺。
各种光学显微镜和测量仪器： 用于过程监控和质量检测。

这些仪器，与其说是“流水线上的机器”，不如说是实验室里精密度极高的“科学研究设备”。它们的制造本身就凝聚了当时最先进的科学和工程技术。创造第一个集成电路的工程师们，就是在这些精密仪器的帮助下，一点点“雕琢”出了那个划时代的微小奇迹。

网友意见

先说TI 的第一个集成电路。

图1就是1958年时在TI工作的Jack Kilby做出的世界上首个集成电路，是把一个小锗片粘在一个glass slide上。整个儿的尺寸大约是3/16 in x 23/32 in x 31/32 in，上面的小锗片大约是7/16 in x 1/16 in，具体的大小可以参考图2中与人手指的大小对比。

图1. 第一个集成电路(图片来源：[1] )

图2. 第一个集成电路与人的手指大小对比(图片来源：[2] )

这个电路的功能是phase shift oscillator，由1个transistor（并不是题主所说的若干个），1个电容（由pn结的结电容提供）和3个电阻（由锗的bulk resistor提供）组成，如图3所示。

图3. Jack Kilby的phase shift oscillator(图片来源：[3])

可以看出，这个电路的上器件密度还是很低的，并没有题主想象的那么精密。这样的电路的图形生成可以由人手工做出来，Jack Kilby在2000年的诺贝尔奖致辞中也提到了“Black wax was applied by hand to mask the mesas, one for the transitor,and a larger one for a diffused region forming a distributed resistor-capacitor network”，[4] 也就是用手涂上黑蜡来作为掩膜。

再说Intel的4004。

4004是1971年发布的，是用两英寸的晶圆制造的，有2,300个transistors（并没有题主所说的几万个那么多），是第一个商用的CPU。[5]

至于制造4004时的图形生成，当时已经有光刻机了，光源用的应该是汞灯。至于photomask，那个年代用的不是石英玻璃，用的是手工切割rubylith来形成图形，看以参考图4。

图4. 70年代早期的手工制作photomask(图片来源：[6])

Reference

1. Jack Kilby's Integrated Circuit

2. Texas Instruments News Center

3. Kilby, J.S., Method of making miniaturized electronic circuits. 1966, Google Patents.

4. Kilby, J.S., Turning potential into realities: The invention of the integrated circuit (Nobel lecture). ChemPhysChem, 2001. 2(8‐9): p. 482-489.

5. The Story of the Intel® 4004.

6. SemiWiki.com.

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