改造单晶硅的电化学性能，德州仪器TI光刻胶(photoresist)

为什么这种导电率不稳定的物质却受到了广泛的关注和应用呢？因为半导体易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响。半导体材料在外界的刺激下，材料性能发生改变，正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。自然界中常见的元素半导体有硅、锗，据说锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，但是硅的天然优势就是便宜！自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素，你说有多多！即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，缺陷也太多，不能直接拿来用，需要对它进行提炼。怎么提炼？一个字——烧！正如初中化学所学的，进行氧化还原反应。①SiC + SiO2 → Si(固体)+ SiO2(气体)+ CO(气体)②Si(固体)+ 3HC → SiHCl3(气体)+ H2(气体)③SiHCl3(气体)+ H2(气体)→ Si(固体)+ 3HCl(气体)经过三次高温化学反应后，我们得到了固体硅，但这时候的硅是多晶硅。啥是多晶硅？如同我们剥橘子的时候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一样（晶体方向），怎么让一个小的单晶单独长大呢？物理学家还是很聪明的，发明了一种长单晶的办法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以这名科学家名字命名的。行业也有一种直观的称呼，叫提拉法!因为在长单晶时就是把小的晶体往上拔！拔的时候速度有点慢，将长好的晶锭采用机械刀片进行切割，切成一片一片的圆盘状，便成了晶圆。有没有很眼熟？晶圆就是这样被生产出来了。虽然我们得到了晶圆，此时的单晶硅电化学性能还不行，不能直接用来做芯片，工程师们于是想办法改造单晶硅的电化学性能。如何改造单晶硅呢？先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。这部分知识初中化学学过，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。此时的砷原子多提供了一个电子给硅家，因此砷原子被称为施主。硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。同样，物理学家想，既然可以拉电子多的砷元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴(hole)。此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词Positive(正极)的首字母，而硼原子则被称为受主。正是在硅单晶中加入的原子不同，便形成了N型半导体和P型半导体。当我们有了单晶硅，并且可以想办法将单晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在p?n结的制造过程中，二氧化硅薄膜可用来定义结的区域。来张示意图看看，(a)显示无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤，图(b)只显示被氧化晶片的上表层。有了P型和N型半导体的理论知识，还可以玩点复杂的，对二氧化硅表面进行改造，改造成我们想要的图形，比如画只猫，画朵花等…对晶圆表面进行改造的办法就是光刻！光刻那不是要用到高端光刻机？听说这种设备很牛逼….不如先看看光刻的原理：利用高速旋涂设备(spinner)，在晶片表面旋涂一层对紫外(UV)光敏感的材料，称为光刻胶(photoresist)。