清华大学 集成电路制造工艺 王水弟 课件第1章概述-2
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39
（31）1987年，台积电成立，这是全球第一家 专业集成电路制造服务公司，从此开创了 代工时代，改变了整个半导体产业的商业 模式，即fabless模式，大批没有制造能力 的设计公司如雨后春笋般涌现。 （32）1988年16MDRAM问世，1平方厘米大 小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志 着IC进入超大规模集成电路（ULSI）阶 段。 （33）1990年，业界开始采用8英寸硅片。
14
1946年2月14日，世界上第 一台真正的电子计算机—— “ENIAC”（埃尼阿克）。
碳纳米管
（IBM绘制的 模拟图像）
15
（1）1948年，美国贝尔实验室的巴丁 （Bardeen）、布拉顿（Brattain）和肖克利 （Shockley） 发明了晶体管，1956年他们三 人同时荣获诺贝尔物理学奖。
16
弹簧
I1
金箔
聚苯乙烯塑 料劈
I2
金箔
金箔切口
P型反转层
输入信号
＋
V1
－
V2
－
＋
输出信号
N型锗
金属基底
第一个点接触半导体放大器剖面示意图
17
世界上第一个点接触晶体管
18
（2）1948年，肖克利（Shockley）提出 结型晶体管理论
把两个PN结相背并使他们共有一个很窄的 N区，就形成PNP结构的晶体管。称作“结型” 是为了区别点接触结构而言。
37
（23）1972年，HP发明第一个可装入口袋的计 算机。
（24）1974年，Zilog推出第一个微处理器 Z80；摩托罗拉推出6800微处理器；施乐 发明内置鼠标。 （25）1975年，第一台个人电脑Altair上市。 （26）1975年，比尔· 盖茨（Bill Gates）和 Paul Allen创立微软公司。
王水弟
wsd-ime@mail.tsinghua.edu.cn
清华大学微电子学研究所
1
学 学
时：32 分：2
授课方式：课堂教学 考试方式：闭卷 考试范围：第2章至第12章 要 求：上课认真听讲 考前认真复习
2
3
1. [美] Stephen A. Campbell 《The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication》 曾莹等译《微电子制造科学原理与工程技术》 2. [美] James D. Plummer, Michael Deal, Peter B. Griffin 《Silicon VLSI Technology Fundamentals, Practice and Modeling》 3. 韩郑生等译《半导体制造技术》 4. 赵树武等译《半导体集成电路制造手册》
n
p
n
氧化 开窗口 掺杂 开窗口 掺杂 开窗口
25
（10）1959年， Fairchild 的诺伊斯发明了第一 块单片集成电路。
（US Patent 2,981,877 filed Feb.1959, granted 1961）
26
从1947年第一个晶体管发明到1959年 集成电路诞生，几个关键性的变化：
从点接触晶体管发展到结型晶体管 （生长结、合金结、扩散结）；
◆
◆
从硅代替锗 发明了硅氧化和光刻工艺
◆
} IC
27
（11）1960年， Fairchild制造出第一块可以实 际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最 终成为集成电路大规模生产中的实用技术。 基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学 奖章”。他们被公认为集成电路共同发明 者。
（US Patent 3,138,763 filed Feb.1959, granted 1964）
24
（9）1959年，Fairchild 的霍尔尼展示了自己对于氧 化物的设想，申请了两项专利，一个是平面型结 型晶体管的结构，二是制造流程。
由于二氧化硅具有很好的掩蔽作用，解决了PN结由于暴露在 外面而造成的漏电，提高了可靠性和成品率。这是历史性的突破。 平面工艺另一个基本的技术就是光刻工艺。
40
（34）1990年6月3日，罗伯特· 诺伊斯去世，享 年62岁。（杰克· 基尔比于2005年5月去 世，享年81岁。 ）
（35）1993年，三星建立第一个8英寸晶圆 厂，同年成为全球最大的存储器厂商。
（36）1995年，NEC开发出全球第一块1Gb DRAM。
41
4Gb DRAM
（1.8V 0.10μm 645mm2 0.1μm2/cell）
（19）汉米尔顿公司推出世界上第一只数字手表 34 “普尔萨” 。
（20）1969年，博伊尔和史密斯共同发 明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器 。
（2009年诺贝尔物理奖获得者）
35
（21）1970年， Intel推出世界上 第一片DRAM。
36
（22）1971年， Intel诞 生了历史上第一个微处 理器—— 4004。虽然只 有2300个晶体管，但其 计算能力并不输于世界 上第一台计算机ENIAC。 它虽然并不是首个商业 化的微处理器，但却是 第一个在公开市场上出 售的计算机元件。
从1959年集成电路诞生到现在：
◆ ◆ ◆
发明了MOS晶体管，并成为IC主流； IC沿着摩尔定律发展； 硅圆片直径增大、集成度提高、成本下降。
IC广泛应用，改变了人类的生活方式。
45
百度文库
1.2 IC制造的基本工艺流程
备片 刻号 清洗
氧化
光刻 刻蚀
掺杂
CVD 溅射 CMP
去胶 测试
集成电路制造
46
硅片清洗
32
（16）1965年，摩尔提出“摩尔定律”
（17）1967年，TI发明第一个手持计算器。
33
（18）1968年，诺伊斯和摩尔离开了了仙童公 司，7月18日他们两人宣布整合NM电子， 罗克担任董事会主席，诺伊斯担任总裁， 摩尔担任执行副总裁。一个多月后，他们 决定换一个“有点性感”的公司名称，最 后决定选用Intel（Integrated Electronics “集成电子”的缩写）。同年英特尔推出第 一片1kRAM 。公司成立不久，就招聘了斯 坦的泰德· 霍夫——微处理器的发明人。
（13）1962年，TI为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹 制导系统研制22套集成电路，这是集成电路 第一次在导弹制导系统中使用。到1965年，美国 空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成 电路消费者。
29
（14）1962年研制出MOS场效应晶体管
绝缘层 G S D
c b
e
MOS场效应 晶体管的发明是 集成电路发展史上 具有划时代意义 的事件
第10章MEMS加工技术
第3章 扩散工艺 第5章 离子注入 第7章 光刻工艺
第9章 薄膜淀积工艺
第11章 金属化工艺
6
IC设计/版图和分析 硅圆片加工
基板版图设计 基板加工和测试 IC芯片加工和测试
IC封装设计和分析
IC封装和测试
PCB版图设计 PCB加工和测试
设备
材料
PCB装配
性能不好 PCB测试
性能不好
整机上PCB的系统测试
产品
7
2007年至2011年全球十大半导体厂排名
排名 2007年排名 2008年排名 2009年排名 2010年排名 2011年排名
1
2 3
Intel
三星 德州仪器
Intel
三星 德州仪器
Intel
三星 东芝
Intel
三星 东芝
Intel
三星 德州仪器
4
5 6 7 8 9 10
11
第1章 概
述
12
本章内容 1.1 微电子技术发展重大事件 1.2 IC制造的基本工艺流程 1.3 硅片的制备
13
1.1微电子技术发展重大事件
从二十世纪初（1906年），美国工 程师德· 福雷斯特(D.Forest)在弗莱明发 明真空电子二极管的基础上发明具有放 大电信号的真空三极管，到二十世纪末 发明纳米管，“信息技术”在100年内 发生了翻天覆地的变化。
9
“虽然一个人不可能深入地了解从半导体 基础理论到电子系统工作的各个方面，但 作为一个好的、专业的集成电路设计者应 该对于支持本设计的制造工艺和晶体管特 性有较深入的了解”。 ——杨之廉教授的话
10
设计人员要了解设计规则
IC设计人员设计产品时必须要知道在 哪里进行工艺流水，所以要根据工艺线提 供的设计规则和单元库数据进行设计。 如果不懂工艺，就很难看懂工艺线提 供的设计规则和有关工艺的文件资料。
38
（27）1976年，Steve Wozniak和Steve Jobs推 出苹果电脑，这是全球第一台能进行文字 处理的电脑。 （28）1979年，摩托罗拉推出第一个16位微处 理器并被苹果电脑采用，它具有每秒处理 200万次计算的能力。 （29）1980年，摩托罗拉推出第一款寻呼机。 （30）1983年，摩托罗拉推出第一个蜂窝电话。
42
（37）2000年，台积电成立第一座12寸晶圆厂。
（38）2001年美国贝尔实验室制成了栅长61nm 的晶体管。
43
（39）2002年，英特尔采用12英寸硅片，并引 入90nm工艺。 （40）2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德 烈· 盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫，制成石墨 烯材料。（两人荣获2010年诺贝尔物理奖） （41）2007年，英特尔45nmCPU进入规模量产。 金属栅/高介电常数成功采用，使摩尔定理 再次得以延伸。 （42）2009年，英特尔32纳米芯片投产。 （43）2011年， TSMC的28纳米工艺正式进入 44 量产。
（6）1957年，诺伊斯、摩尔、拉斯特、霍尔 尼等8人离开肖克利实验室，成立仙童 （ Fairchild ）半导体公司，1959年诺伊斯 任总经理。
22
（7）1957年，发明台面型 双扩散晶体管
n p
n
扩p型杂质 扩n型杂质 腐蚀台面 引出p区和n区 引出电极
23
（8）1958年，德州仪器公司（ Texas Instruments ） 的杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了第一个锗集 成电路（他是把5个电子元件用金材料小心翼翼 地连接而成）。2000年他获得诺贝尔物理学奖。
双极性晶体管
30
世界上第一个增强型MOSFET
（栅长25μm）
31
（15）1963年， Fairchild公司的工程师
F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技 术，低功耗高效率的CMOS替代了传统的
TTL电路。现在，95%以上的集成电路芯 片都是基于CMOS工艺；所以，没有
CMOS，就没有之后整个集成电路的发展。
P N P
19
（3）1950年，发明生长结晶体管
—— 在晶体生长过程中形成npn晶体管
n p n n p n
20
（4）1950年，萨拜（Saby）发明了合金结双极型晶体管
n
放置铟球
n
在156℃，In开始熔化
n
在550℃，In熔入锗内
n
p
p
冷却后形成两个PN结
21
（5）1955年，肖克利在硅谷创建了“肖克利半 导体实验室” ，骨干成员有戈登· 摩尔27岁 （Gordon Moore ）、吉恩· 霍尔尼（ Jean Hoerni ）、罗伯特· 诺伊斯（Robert Noyce ）等 。
4
目
第1章 概 述 第3章 氧化工艺 第5章 光刻工艺 第7章 刻蚀工艺
第9章 CMOS工艺
录
第2章 洁净技术 第4章 薄膜工艺 第6章 掺杂工艺 第8章 平坦化工艺
第10章MEMS技术
第11章 封装技术
第12章纳米时代的挑战
5
我所本科生的工艺课目录
第1章 绪 论 第2章 硅晶片的准备 第4章 热氧化工艺 第6章 快速热退火 第8章 刻蚀工艺
东芝
意法 台积电 海力士 瑞萨 索尼 英飞凌
台积电
东芝 意法 瑞萨 索尼 海力士 英飞凌
德州仪器
意法 高通 海力士 瑞萨 AMD 英飞凌
德州仪器
瑞萨 海力士 意法 美光 高通 博通
东芝
瑞萨 高通 意法 海力士 美光 博通
整体级设计 逻辑级设计
功能级设计 电路级设计
GDS Ⅱ
寄存器设计 版图级设计
从层次化设计过程中可知：设计的低端涉及到晶 体管的设计以及制造工艺，这两者与半导体的基本物 理过程有关。
1960年3月，Texas Instruments 宣布诞生了第一 个集成电路产品（TI Type 502）。这是一个多谐振荡 器，可以用作二进制计数器、移位寄存器。它包括2个 晶体管、4个二极管、6个电阻和4个电容，封装在0.25 英寸× 0.12 英寸的管壳内，厚度为0.03英寸。
28
（12）1961年，TI为美国空军研发出第一个基于集成 电路的计算机，即所谓的“分子电子计算机”。 美国宇航局也开始对该技术表示了极大兴趣。当 时，“阿波罗导航计算机”和“星际监视探测器” 都采用了集成电路技术。
（31）1987年，台积电成立，这是全球第一家 专业集成电路制造服务公司，从此开创了 代工时代，改变了整个半导体产业的商业 模式，即fabless模式，大批没有制造能力 的设计公司如雨后春笋般涌现。 （32）1988年16MDRAM问世，1平方厘米大 小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志 着IC进入超大规模集成电路（ULSI）阶 段。 （33）1990年，业界开始采用8英寸硅片。
14
1946年2月14日，世界上第 一台真正的电子计算机—— “ENIAC”（埃尼阿克）。
碳纳米管
（IBM绘制的 模拟图像）
15
（1）1948年，美国贝尔实验室的巴丁 （Bardeen）、布拉顿（Brattain）和肖克利 （Shockley） 发明了晶体管，1956年他们三 人同时荣获诺贝尔物理学奖。
16
弹簧
I1
金箔
聚苯乙烯塑 料劈
I2
金箔
金箔切口
P型反转层
输入信号
＋
V1
－
V2
－
＋
输出信号
N型锗
金属基底
第一个点接触半导体放大器剖面示意图
17
世界上第一个点接触晶体管
18
（2）1948年，肖克利（Shockley）提出 结型晶体管理论
把两个PN结相背并使他们共有一个很窄的 N区，就形成PNP结构的晶体管。称作“结型” 是为了区别点接触结构而言。
37
（23）1972年，HP发明第一个可装入口袋的计 算机。
（24）1974年，Zilog推出第一个微处理器 Z80；摩托罗拉推出6800微处理器；施乐 发明内置鼠标。 （25）1975年，第一台个人电脑Altair上市。 （26）1975年，比尔· 盖茨（Bill Gates）和 Paul Allen创立微软公司。
王水弟
wsd-ime@mail.tsinghua.edu.cn
清华大学微电子学研究所
1
学 学
时：32 分：2
授课方式：课堂教学 考试方式：闭卷 考试范围：第2章至第12章 要 求：上课认真听讲 考前认真复习
2
3
1. [美] Stephen A. Campbell 《The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication》 曾莹等译《微电子制造科学原理与工程技术》 2. [美] James D. Plummer, Michael Deal, Peter B. Griffin 《Silicon VLSI Technology Fundamentals, Practice and Modeling》 3. 韩郑生等译《半导体制造技术》 4. 赵树武等译《半导体集成电路制造手册》
n
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氧化 开窗口 掺杂 开窗口 掺杂 开窗口
25
（10）1959年， Fairchild 的诺伊斯发明了第一 块单片集成电路。
（US Patent 2,981,877 filed Feb.1959, granted 1961）
26
从1947年第一个晶体管发明到1959年 集成电路诞生，几个关键性的变化：
从点接触晶体管发展到结型晶体管 （生长结、合金结、扩散结）；
◆
◆
从硅代替锗 发明了硅氧化和光刻工艺
◆
} IC
27
（11）1960年， Fairchild制造出第一块可以实 际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最 终成为集成电路大规模生产中的实用技术。 基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学 奖章”。他们被公认为集成电路共同发明 者。
（US Patent 3,138,763 filed Feb.1959, granted 1964）
24
（9）1959年，Fairchild 的霍尔尼展示了自己对于氧 化物的设想，申请了两项专利，一个是平面型结 型晶体管的结构，二是制造流程。
由于二氧化硅具有很好的掩蔽作用，解决了PN结由于暴露在 外面而造成的漏电，提高了可靠性和成品率。这是历史性的突破。 平面工艺另一个基本的技术就是光刻工艺。
40
（34）1990年6月3日，罗伯特· 诺伊斯去世，享 年62岁。（杰克· 基尔比于2005年5月去 世，享年81岁。 ）
（35）1993年，三星建立第一个8英寸晶圆 厂，同年成为全球最大的存储器厂商。
（36）1995年，NEC开发出全球第一块1Gb DRAM。
41
4Gb DRAM
（1.8V 0.10μm 645mm2 0.1μm2/cell）
（19）汉米尔顿公司推出世界上第一只数字手表 34 “普尔萨” 。
（20）1969年，博伊尔和史密斯共同发 明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器 。
（2009年诺贝尔物理奖获得者）
35
（21）1970年， Intel推出世界上 第一片DRAM。
36
（22）1971年， Intel诞 生了历史上第一个微处 理器—— 4004。虽然只 有2300个晶体管，但其 计算能力并不输于世界 上第一台计算机ENIAC。 它虽然并不是首个商业 化的微处理器，但却是 第一个在公开市场上出 售的计算机元件。
从1959年集成电路诞生到现在：
◆ ◆ ◆
发明了MOS晶体管，并成为IC主流； IC沿着摩尔定律发展； 硅圆片直径增大、集成度提高、成本下降。
IC广泛应用，改变了人类的生活方式。
45
百度文库
1.2 IC制造的基本工艺流程
备片 刻号 清洗
氧化
光刻 刻蚀
掺杂
CVD 溅射 CMP
去胶 测试
集成电路制造
46
硅片清洗
32
（16）1965年，摩尔提出“摩尔定律”
（17）1967年，TI发明第一个手持计算器。
33
（18）1968年，诺伊斯和摩尔离开了了仙童公 司，7月18日他们两人宣布整合NM电子， 罗克担任董事会主席，诺伊斯担任总裁， 摩尔担任执行副总裁。一个多月后，他们 决定换一个“有点性感”的公司名称，最 后决定选用Intel（Integrated Electronics “集成电子”的缩写）。同年英特尔推出第 一片1kRAM 。公司成立不久，就招聘了斯 坦的泰德· 霍夫——微处理器的发明人。
（13）1962年，TI为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹 制导系统研制22套集成电路，这是集成电路 第一次在导弹制导系统中使用。到1965年，美国 空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成 电路消费者。
29
（14）1962年研制出MOS场效应晶体管
绝缘层 G S D
c b
e
MOS场效应 晶体管的发明是 集成电路发展史上 具有划时代意义 的事件
第10章MEMS加工技术
第3章 扩散工艺 第5章 离子注入 第7章 光刻工艺
第9章 薄膜淀积工艺
第11章 金属化工艺
6
IC设计/版图和分析 硅圆片加工
基板版图设计 基板加工和测试 IC芯片加工和测试
IC封装设计和分析
IC封装和测试
PCB版图设计 PCB加工和测试
设备
材料
PCB装配
性能不好 PCB测试
性能不好
整机上PCB的系统测试
产品
7
2007年至2011年全球十大半导体厂排名
排名 2007年排名 2008年排名 2009年排名 2010年排名 2011年排名
1
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Intel
三星 德州仪器
Intel
三星 德州仪器
Intel
三星 东芝
Intel
三星 东芝
Intel
三星 德州仪器
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5 6 7 8 9 10
11
第1章 概
述
12
本章内容 1.1 微电子技术发展重大事件 1.2 IC制造的基本工艺流程 1.3 硅片的制备
13
1.1微电子技术发展重大事件
从二十世纪初（1906年），美国工 程师德· 福雷斯特(D.Forest)在弗莱明发 明真空电子二极管的基础上发明具有放 大电信号的真空三极管，到二十世纪末 发明纳米管，“信息技术”在100年内 发生了翻天覆地的变化。
9
“虽然一个人不可能深入地了解从半导体 基础理论到电子系统工作的各个方面，但 作为一个好的、专业的集成电路设计者应 该对于支持本设计的制造工艺和晶体管特 性有较深入的了解”。 ——杨之廉教授的话
10
设计人员要了解设计规则
IC设计人员设计产品时必须要知道在 哪里进行工艺流水，所以要根据工艺线提 供的设计规则和单元库数据进行设计。 如果不懂工艺，就很难看懂工艺线提 供的设计规则和有关工艺的文件资料。
38
（27）1976年，Steve Wozniak和Steve Jobs推 出苹果电脑，这是全球第一台能进行文字 处理的电脑。 （28）1979年，摩托罗拉推出第一个16位微处 理器并被苹果电脑采用，它具有每秒处理 200万次计算的能力。 （29）1980年，摩托罗拉推出第一款寻呼机。 （30）1983年，摩托罗拉推出第一个蜂窝电话。
42
（37）2000年，台积电成立第一座12寸晶圆厂。
（38）2001年美国贝尔实验室制成了栅长61nm 的晶体管。
43
（39）2002年，英特尔采用12英寸硅片，并引 入90nm工艺。 （40）2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德 烈· 盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫，制成石墨 烯材料。（两人荣获2010年诺贝尔物理奖） （41）2007年，英特尔45nmCPU进入规模量产。 金属栅/高介电常数成功采用，使摩尔定理 再次得以延伸。 （42）2009年，英特尔32纳米芯片投产。 （43）2011年， TSMC的28纳米工艺正式进入 44 量产。
（6）1957年，诺伊斯、摩尔、拉斯特、霍尔 尼等8人离开肖克利实验室，成立仙童 （ Fairchild ）半导体公司，1959年诺伊斯 任总经理。
22
（7）1957年，发明台面型 双扩散晶体管
n p
n
扩p型杂质 扩n型杂质 腐蚀台面 引出p区和n区 引出电极
23
（8）1958年，德州仪器公司（ Texas Instruments ） 的杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了第一个锗集 成电路（他是把5个电子元件用金材料小心翼翼 地连接而成）。2000年他获得诺贝尔物理学奖。
双极性晶体管
30
世界上第一个增强型MOSFET
（栅长25μm）
31
（15）1963年， Fairchild公司的工程师
F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技 术，低功耗高效率的CMOS替代了传统的
TTL电路。现在，95%以上的集成电路芯 片都是基于CMOS工艺；所以，没有
CMOS，就没有之后整个集成电路的发展。
P N P
19
（3）1950年，发明生长结晶体管
—— 在晶体生长过程中形成npn晶体管
n p n n p n
20
（4）1950年，萨拜（Saby）发明了合金结双极型晶体管
n
放置铟球
n
在156℃，In开始熔化
n
在550℃，In熔入锗内
n
p
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冷却后形成两个PN结
21
（5）1955年，肖克利在硅谷创建了“肖克利半 导体实验室” ，骨干成员有戈登· 摩尔27岁 （Gordon Moore ）、吉恩· 霍尔尼（ Jean Hoerni ）、罗伯特· 诺伊斯（Robert Noyce ）等 。
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目
第1章 概 述 第3章 氧化工艺 第5章 光刻工艺 第7章 刻蚀工艺
第9章 CMOS工艺
录
第2章 洁净技术 第4章 薄膜工艺 第6章 掺杂工艺 第8章 平坦化工艺
第10章MEMS技术
第11章 封装技术
第12章纳米时代的挑战
5
我所本科生的工艺课目录
第1章 绪 论 第2章 硅晶片的准备 第4章 热氧化工艺 第6章 快速热退火 第8章 刻蚀工艺
东芝
意法 台积电 海力士 瑞萨 索尼 英飞凌
台积电
东芝 意法 瑞萨 索尼 海力士 英飞凌
德州仪器
意法 高通 海力士 瑞萨 AMD 英飞凌
德州仪器
瑞萨 海力士 意法 美光 高通 博通
东芝
瑞萨 高通 意法 海力士 美光 博通
整体级设计 逻辑级设计
功能级设计 电路级设计
GDS Ⅱ
寄存器设计 版图级设计
从层次化设计过程中可知：设计的低端涉及到晶 体管的设计以及制造工艺，这两者与半导体的基本物 理过程有关。
1960年3月，Texas Instruments 宣布诞生了第一 个集成电路产品（TI Type 502）。这是一个多谐振荡 器，可以用作二进制计数器、移位寄存器。它包括2个 晶体管、4个二极管、6个电阻和4个电容，封装在0.25 英寸× 0.12 英寸的管壳内，厚度为0.03英寸。
28
（12）1961年，TI为美国空军研发出第一个基于集成 电路的计算机，即所谓的“分子电子计算机”。 美国宇航局也开始对该技术表示了极大兴趣。当 时，“阿波罗导航计算机”和“星际监视探测器” 都采用了集成电路技术。