Oxide Masking

【純屬意外的發明與發現】——矽晶圓氧化層

【純屬意外的發明與發現】——矽晶圓氧化層

【純屬意外的發明與發現】——矽晶圓氧化層

前一篇的《純屬意外的發明與發現——太陽能電池》,介紹由於貝爾實驗室的歐偉在 1940 年的意外發現,才開啟了太陽能電池與電晶體的發明。不過你知道嗎,後來貝爾實驗室又發生了一件意外,電晶體才能有如今的樣貌,也才有IC晶片的誕生。

如前一篇所說,歐偉原本是為了研發可以取代真空管的固態元件,才意外在一塊矽石發現 p-n 接面的光伏效應。因此貝爾實驗室除了有組人馬接續投入太陽能電池的研究,重心還是放在電晶體上。結果布拉頓 (Walter Brattain) 和巴丁 (John Bardeen) 率先於 1947 年底發明「點接觸式電晶體」,一個月後,蕭克利又發明更堅固實用的n-p-n「接面式電晶體」。

當時這兩種電晶體用的都是鍺,而不是矽,因為鍺的能隙比矽的能隙小,比較容易做出成品。不過鍺相對也有容易漏電,不耐高溫的缺點,因此貝爾實驗室仍繼續研究如何製造矽的半導體。

1954 年,富勒 (Calvin Fuller)、闕平 (Daryl Chapin)、皮爾森 (Gerald Pearson) 三人以氣體擴散法,讓含有硼和砷的氣體在高溫下擴散進入矽晶圓表面,成功做出第一個具有實用價值的太陽能電池,這個摻雜技術自然也被用來製造矽的電晶體。

不過太陽能電池只有 n 型矽與 p 型矽兩層,電晶體則有三層,中間那層又必須薄到微米級,所以原來的擴散法不能直接如法炮製。弗若需 (Carl Frosch) 和他的技術助理德瑞克 (Lincoln Derrick) 實驗各種溫度與時間長短,卻始終無法成功,一旦超過 1,100 度,矽晶圓總是坑坑洞洞,甚至整個報銷。

左起:Calvin Fuller、Carl Frosch、Lincoln Derrick / 圖片來源:wikipedia

1955 年早春的某一天,弗若需和德瑞克再度進行擴散法實驗時,突然火光一閃,似乎是反應後排放出來的氫氣不知為什麼被點燃,逆火燒向反應室。他們驚魂未定,趕緊關掉設備,想說這次又搞砸了,怎知拿出矽晶圓一看,竟然整片光滑無比,表面還泛著綠光——看來是表面有層薄膜產生的干涉作用。

原來是因為燃燒造成氫氣與反應爐中的氧氣結合產生水蒸氣,水蒸氣與矽晶圓表面的矽反應而生成二氧化矽薄膜。他們進一步實驗發現磷和硼無法穿透二氧化矽,那麼只要在這層二氧化矽上蝕刻出開口,再進行磷或硼的摻雜,便能極為精確地控制矽晶圓的哪個部分要做成 n 型矽或 p 型矽。重複這個步驟,就可以任意做出 n-p-n 型或 p-n-p 型電晶體。

晶片製程概要 / 圖片來源:ivendor科技聯盟

弗若需和德瑞克於 1957 年對外發這個摻雜方式後,矽很快就取代了鍺,而且二氧化矽保護層的其它妙用也隨即浮現,使得電晶體技術突飛猛進;目前佔了所有電晶體數量 99% 以上的「金屬氧化物半導體場效電晶體」(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,簡稱 MOSFET) 便因此脫胎而出。不僅如此,這個概念也衍生出微影製程,在矽晶圓上產生氧化層再蝕刻出電路圖樣,直接在晶圓上做出積體電路,才有現今各式各樣的 IC 晶片與處理器。

一個不小心的實驗意外,竟成為半導體技術的基石,這真的足以列為史上最重要的「失敗實驗」之一。

參考資料:

  1. 1955: Development of Oxide Masking | The Silicon Engine | Computer History Museum
  2. “The Origins of Diffused-Silicon Technology at Bell Labs, 1954-55”, The Electrochemical Society Interface • Fall 2007
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