IC雙雄 讀後心得

2007.4.1 "專利取得與攻防"期中作業。

 

1. 書名：IC雙雄:諾貝爾物理得獎人vs. 英特爾創辦人的創新大賽

2. 著者：T.R. Reid 著，吳鴻 譯

3. 出版項：民國九十三年/台北市/遠流出版社

4. 頁數：303

5. 內容大意：

IC早期歷史：真空管

積體電路(IC)的發明過程作最早可以追溯到一八八三年愛迪生(Thomas A. Edison)研究團隊發現愛迪生效應開始。他們在一個裡面有一片金屬片的燈泡進行通電後，發現電竟然會流進去金屬片，且金屬片電流與通過燈絲的電流成比例增加，可以穿越過真空。但是當時的科學無法解釋這種謎樣的現象。接著傅雷明(John A. Fleming)發現燈泡可已經交流電轉為直流電。學術界此時發明了陰極射線管，可是對於電的說法還是眾說紛紜。有的認為是流體，有的則認為電是一種波動。後來湯姆笙提出次原子粒子的假設，說明原子內部除了帶負電的電子，還有帶正電子和質子的存在。如果對一片金屬施予電荷或是加熱到白光就會有大量電子流出來，湯姆笙(Joseph John Thomson)認為這些移動的電子就是電流。湯姆笙的發現首次應用在真空管(圖一)，使得真空管成為接下來五十年電子裝置的核心元件。傅雷明發現電燈可以解決高頻率電流的整流問題，他稱他修改過的燈泡版本為閥，即傅雷明的燈泡就是含有燈絲和金屬片兩個電極所組成的二極體。更進一步，德福雷斯特(De forest, Lee)發明了重要的無線放大器，內含燈絲、金屬片和柵極組成的三個電極，技術上稱為三極體。他將整流真空管中燈絲和金屬片之間放了一個金屬線屏幕，若在屏幕上加上負電，因為同性相斥的關係，通往金屬片上的電流就減少了，反之則會增大。德福雷斯特發現，屏幕上微量的電荷變化，就會造成流向金屬片上的電流出現大幅的改變。這個含有燈絲、金屬片和屏幕三極體主要有三個功能：整流、放大和快速切換，這就是在真空管時代的主角。其他公司也陸續開發出四極和五極真空管大幅增加效能。但是真空管龐大、昂貴、脆弱、耗電量驚人，而且會變得非常熱，往往會在意想不到的時候燒壞。

圖一 真空管

電晶體的發明

一九一三年波耳(Niels Bohr)提出原子模型，提供解釋何種物質是導體，絕緣體和半導體。波耳對原子的描繪就是我們現在高中課本所出現過的原子模型，電子以同心軌道繞著原子核旋轉，而其中最外層的電子數，就是成此物質為導體、絕緣體或是半導體的判斷方式了。五到八個的是絕緣體，三個以下的是導體，而在中間四個的，就是半導體了。蕭克利(William Shockley)在編寫的教科書中提出將矽比擬為停車場。若有車子移走便會留下空位，另一輛車子可能會往前走而空出原來位子。從高處看下會以為空格在停車場上移動，即為電洞。這時的物理學家提出NP型半導體。蕭克利將摻雜過量正電荷的半導體P型半導型，和摻雜負電荷的半導體N型半導體，做出了體積小，耗電量低，又沒有高熱的二極體，取代傅雷明真空管整流器。蕭克利、布拉頓(Walter Brattain)和巴頓(John Bardeen)利用半導體夾心NPN發明了電晶體(圖二)。跟真空管比起來，電晶體沒有玻璃燈泡，不必真空，啟動時不需要暖機，也不會燒壞什麼。在當時電晶體比真空管更輕、更快、更可靠及省電，是一個極為驚人的成就。蕭克利所屬的貝爾實驗室決定，免去了第一個電晶體產品的全部專利費用。其它產品的應用，都以兩萬五千美元的超低許可價以利公益，還替有志生產電晶體的公司設計訓練計畫，大大的加速了電晶體的發展。

圖二 電晶體

電晶體的困境－積體電路發明原因

後來TI發明了矽電晶體克服了原來無法在高溫運作下的缺點，但是電晶體的先天缺陷慢慢在時代的推移中慢慢浮現。設計師可以設計一種無線電放大器，將許多的元件數目擠進微小的空間裡。可是在工廠中那種電路根本做不出來。因為太多互連，彼此之間太過於接近，人類的手根本無法處理。電路越來越大，使用到的元件數量越來越多，導致電路的接線變的非常複雜因難，這就是所謂的數量暴行。TI提出解決方式之一是微模組的概念。這個概念的理論基礎是所有的元件都可以製成同樣大小和形狀，而各個元件都已經內建線路，這樣的模組可以嵌在一起像積木一樣。

當時在TI工作的基爾比(Jack Kilby)認為微模組不是解決的方法，數量暴行真正的問題在於數量。微模組化對於數量的減少幫不上什麼忙。TI在一九五四年五月做出了第一顆的矽電晶體。之前基爾比在中獅工作期間，中獅為了讓成本降低，因此企圖改善生產過程，把電路上所有零件放在單一陶瓷基底上，這個概念讓基爾比留下了電路元件不需要分開製造的看法。基爾比思考著用矽做電阻的可行性，用矽做電容的可行性，雖然作用不像標準電容、電阻那麼好，但應該可行，當然製造二極體跟電晶體，使用矽是絕對沒問題的。基爾比後來體認到若可以光靠矽來造出所有的零件，那就有可能用矽來製造出所有的電路。無論電路有多複雜，都不需要用人把任何東西連在一起，數量障礙就會消失，這是有名的單石概念。解決數量暴行的方法即是積體電路(圖三)。

而在同時快捷的諾宜斯(Robert Noyce)也陷入數量暴行的思考中。他研究將電路元件製造得尺寸更小、形狀統一的概念，但沒有解決的方法。為了解決數量暴行的諾宜斯，陷入了把電路元件製造得更小的窠臼時，因為無法找出有用的解決方法，便將注意力轉換到一個汙染的問題。當時雙重擴散電晶體非常容易受到污染，一小粒塵埃或是污染的氣體，經常都會使得PN結故障，損害電晶體的效能。一九五八年，胡爾尼提供一個平面解決方案，使用一層氧化矽放在NPN晶片的表面上，讓這層氧化物牢牢黏在矽上做到防污的功效。後來從胡爾尼的平面概念中，提出將電路用印刷方式連接，更導出在同一顆晶片上建造其他元件去克服數量暴行。在基爾比提出單石概念後，諾宜斯在六個月後提出，但由於諾宜斯使用平面製程而稍微提高可行性。基爾比和諾宜斯發明間隔僅相差半年而已。

圖三 積體電路

 

專利申請與訴訟

當時有許多小道消息傳出有人發明出積體電路，因此TI急欲取得專利。TI在積體電路專利上採用攻擊的劍，強調此發明可以用來建造任何電路的機體變化形式，並加註「這類變動和修改都應視為在這項發明的涵蓋範圍內」，使得劍更加銳利。由於基爾比的單石概念，是先將所有的元件都合併在一片矽上面，在專利申請書送出時，接線的問題並沒有解決。基爾比當時有一個模糊的概念，這概念很類似胡爾尼在快捷開發的平面製程，認為可能在晶片上方放一層氧化矽，像蛋糕上的糖霜，再將導電金屬的細線印刷在上面連接電路各個零件。TI擔心RCA可能會申請專利，所以基爾比必須盡快為提出的專利畫出圖示。基爾比為了速度考量，決定採用手工接線的晶片圖示，是一張飛線圖。但實際上申請書上為錯誤的飛線圖，律師們加入下段話來迴避這個議題「雖然這項發明已經以特定體化的方式呈現與描述，但日後顯然可能會有變更與修改，這些變更與修改實際上並未悖離在此所述的創新概念。」，為了補充有可能不必用手工接線，基爾比在請書上加上了一段話，來說明他的新電路不用手工接線，以蛋糕上的糖霜方法來處理互連：「可能不必使用金線來做到電路連接，也許可以用其他的方法來代替，例如……可以將氧化矽蒸發到半導體電路晶圓上……。然後，像是金之類的材料可以放在氧化層上，做出需要的電路連接。」申請書在一九五九年二月六日送達專利局。

而差不多在同時，快捷聽到TI申請專利的傳聞而不得不採取行動。當快捷聽到TI宣布即將推出新的固態電路時，就知道TI大概已經送件了。快捷這時就需要專利上的盾，將諾宜斯的發明與基爾比的加以區分，而可以打入積體電路的市場，不必擔心TI的法律訴訟。諾宜斯在此時有一個重要的優勢，就是當基爾比還沒來得及弄清楚晶片內部互連的問題就要申請專利，而諾宜斯的觀念則是涵蓋整合與互連的概念。諾宜斯特別強調電路互連的觀點，即「針對位各個不同的半導體區域製作電路連接，提供改良的元件與接線結構。」「單一電路結構可以整合一個以上的電路裝置到單一半導體。」「按照先前的實務，電路連接……必須利用電路緊密直接連到(元件)……。利用現在發明的方法，可以將接線與元件本身同時以同樣的方式進行放置。」另外在申請書上補上了三張圖片，解說整合到晶片上的代表線路。圖上的結構和現今生產的積體電路一樣。

經過幾個月後，結果是由快捷優先取得積體電路的專利，原因可能是由不同批人審查，而諾宜斯的審查速度超前。專利公布後，TI立即提出牴觸審查，兩家公司自此進入了互相纏訟的階段。負責審查此案的專利訴願爭議委員會要求各人列出能夠證明自己想出這個概念的最早日期。因為美國專利取得是採取誰先發明就給誰。能證明自己比別人先想出這個想法，就可以取得專利。由於基爾比和諾宜斯都有保留當時的實驗日誌，根據日誌記載的日期，基爾比是在一九五八年七月，而諾宜斯是在一九五九年一月。這時專利局也通過當初基爾比提出的申請書，讓基爾比取得積體電路的專利，這使得法律戰爭更加白熱化。兩家公司在專利裡提出的做法和文字作攻防。兩方在基爾比的「放置」和「黏著」之間以及飛線圖有許多爭議，初期委員會認為這並不重要，所以將專利判給TI。但是快捷後來上訴並採取攻勢，針對基爾比的飛線圖加以攻擊。法官認為這有技術上的意義，所以承認諾宜斯為微晶片的發明人。TI後來雖然再上訴，但是都被駁回。十年十個月後，法院最終判定專利權給快捷。

雙贏策略

在纏訟期間，積體電路市場已經呈爆炸性成長。TI和快捷及其它的電子公司主管舉行高峰會議，談定TI和快捷都互相承認對方對於積體電路的發明都有一些權利，所以互相授與積體電路生產的許可，其他公司若想要進入這個領域必須對TI和快捷付出權利金。主要發明者基爾比和諾宜斯也都大方認可另一個人的工作成果。這種互相分享讚譽，互相分享利潤雙贏的方式看來，專利訴訟的輸贏也似乎顯得不太必要了。

6. 讀後心得

其實若以發明先後次序而言，基爾比應該獲得積體電路的專利權。但是由於基爾比專利的申請書想要涵蓋大量的應用，申請準備時間過於急促，飛線圖又有錯誤，使得申請書內的陳述有許多概念上模糊的地方。因此在專利申請的過程上需要頻繁的與審查員作問題的答覆，使得申請時間拖長。反觀諾宜斯專利以防守為主，提出一個可以有效實行的方法製造積體電路，所以審查速度快許多。在往後牴觸審查上，基爾比申請書內不清楚的地方反而變成快捷的攻擊點。可以推論基爾比未能獲得積體電路的專利是由於專利書內容沒有準備齊全的關係。因此我對於法院會判定專利給快捷並不感到意外，還蠻贊同其審判結果。

若是此訴訟發生在台灣的話，結果會由基爾比取得積體電路專利。台灣是以先申請主義為主，即誰先申請就誰先取得專利。若申請日為同日，則必須協調，協調不成都不發給專利。基爾比是在一九五九年二月六日提出申請，諾宜斯是在同年的七月三十日提出申請。很明顯的是基爾比優先於諾宜斯提出申請。因此若展開訴訟的話，基爾比會占很大的優勢。此外我國有規定在提出申請的十二個月內都可以針對專利作修改，這樣的話基爾比就可以修正當初不恰當的飛線圖以及之間的互連問題，最後將由基爾比取得專利。假若快捷對於基爾比申請書內容有描述不實的疑問，也可以在基爾比取得專利後舉發使其專利失效。

由TI和快捷之間的案例了解實驗日誌的重要性。以往實驗日誌的認知是一個敷衍老師或是上級的工具。但是在美國以發明先後決定專利取得的體制中，一個撰寫良好並有附上簽名的實驗日誌是可以成為打贏專利訴訟的有力證據。往後在作專題或是計畫時也應該養成隨手寫下實驗內容的習慣，以備不時之需。

TI和快捷的官司長達十年，訴訟需要付給律師的金錢也是相當可觀。如果今天基爾比或是諾宜斯是一個人跟一個大公司打訴訟的話，恐怕還沒支撐到官司結果出來就可能因為個人財力無法負擔而可能失去了專利。就像在上課時老師提到的發明氣墊鞋的人與Nike公司之間的官司。最後該發明人因為訴訟而導致破產，也沒有贏了官司。這樣看來好像是專利是有錢人在擁有的。發明人雖然擁有該專利，但是大公司有的是錢，若在專利的協議上不妥協的話，就用官司跟你玩。如果不懂法律，不知道相關條文，就變成待宰的羔羊了。這樣專利就變成不是保護有創意的發明人了。我想這點還是專利體制上需要再加強的地方，否則這些紛紛擾擾下來，最大的獲利者就是律師了。

7. 參考來源

[1]圖一、圖二和圖三, http://chinhuah.myweb.hinet.net/computerdevelop.htm