半导体硅片论文

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集成电路的发明，是多项技术不断发展的综合结果。

最早提出制造半导体集成电路思想的，是从事雷达研究的英国科学家达默。他在1952年5月发表的一篇论文中提出：“由于现在晶体管的出现和半导体方面的研究成果，有可能制造单块形状的电子器件而省去连接线。这种器件由多层绝缘材料、通导材料、整流材料和放大材料构成，在各层中去掉某一部分就能使器件具有某种电功能。”

达默的上述设想很有意义，可惜他本人未能使之付诸实施。进入50年代以后，军事工业和宇航工业的迅速发展，迫切需要各种功能更强、能实现更加复杂功能的半导体器件，而且还希望这种器件越小巧越好。

在社会需要的刺激下，那些早期来到硅谷开创电子工业的一批年轻的微电子工程师们，很自然地把研究方向瞄准到上述目标上。他们设想把一些晶体管及一些元件在新的形式下组合成一种更复杂的线路，而不是简单地拼凑在一起，这种线路称为集成电路。从外形来看，它们就是小小的硅片，因此人们也把它们称为芯片。至今，在各种计算机、计算器及各种电器设备中处处都可以看到这种芯片。早在第二次世界大战期间，有人就已设法把油墨状的电阻材料和镀银金属片印在陶瓷基片上，做成电阻和连接线的组合体；而印刷电路工艺的发展和晶体管的发明，都为集成电路的发明做了必要的技术准备。

现在人们认为，世界上最早的集成电路，是1958年由美国物理学家基尔比和诺伊斯两人各自独立地研究发明的，为了认定这项发明的专利权，他们两人所属的公司之间曾为此引发了一场为时不短的争执，因此，回顾一下他们各自的发明过程，是很有意思的。

基尔比于1923年生于美国密苏里州杰斐逊市，1947年毕业于伊利诺大学，1950年在威斯康星大学获硕士学位。

1958年5月，基尔比进入得克萨斯仪器公司还只有3个月，他被安排去进行电子设备微型化的研究。当时电子设备应用了电子管，后来逐步使用晶体管，但体积庞大。

按照国防部的要求，基尔比的任务是研究如何通过采用较小的元件、更细密的接线，使电子设备体积缩小，更加紧凑灵巧。

在这一年夏天，当基尔比的同事都去度假时，他却在宁静的环境中，坐在办公桌前苦苦思索解决微型化问题的办法。他在想出新办法前，屡次碰壁，后来才想到，所需用的全部电路元件包括晶体管、电阻、电容在内，可以用同一种半导体材料制成；这些电路元件必须绝缘，因此能单独起作用，彼此没有干扰；而全部电路元件都焊接在半导体圆片的基片或附近，从而可以利用先进的半导体技术手段使电路相互连接，不必担心元件在连接的地方会出现短路。当时基尔比把这种电路称为固体电路(现在有人称为微型电路)。1958年9月，基尔比的第一个安置在半导体锗片上的电路——“相移振荡器”取得了成功。

诺伊斯于1927年出生于美国衣阿华州的一个小镇。他对现实世界充满了好奇心，在十二三岁时就同二哥先后制造过一架硕大的滑翔机，装配出一辆汽车。他在大学同时学习物理、数学两个专业，对晶体管及其应用也很感兴趣，在晶体管方面奠定了坚实的理论基础。在1949年考取博士研究生后，仍选修一些有助于晶体管基础研究的课程，而在学术活动中，又有机会见到晶体管领域著名的专家肖克莱等人。

诺伊斯在1953年取得博士学位后，宁愿到待遇低的小公司任职。他认为：“越是小地方，就越能得到多方面的锻炼，有利于发挥作用。这样既便于选择合适的课题进行研究，又能成为企业家。”

当1955年肖克莱在硅谷创建“肖克莱半导体公司”时，诺伊斯就是其中被聘请来的优秀科技人才之一。在肖克莱半导体实验室成立的第一年内，诺伊斯和他的同事们竭力鼓动肖克莱把研究重点转向硅晶体管，但肖克莱执意要搞四层二极管的研究。由于认识上的分歧，1957年，诺伊斯和公司的另外7名年轻人一起离开了肖克莱公司，自己成立了“仙童半导体公司”，成为硅谷的第一家专门研制硅晶体管的公司。从这个意义上来说，诺伊斯早年想当企业家的愿望果真实现了。

当时，仙童公司在生产晶体管中首先使用一种“平面工艺”。主持技术工作的是赫尔尼，他是当时硅谷最有才干的科学家之一。他提出的平面工艺法，是通过各种措施把硅表面的氧化层尽量挤压，直到压成一张扁平的薄片为止，使器件的各电极在同一个平面上。因此，只要预先设计出晶体管的电极结构图，通过照相制版的方法，把它精缩成掩模板，就可使立体形状的晶体管制作成平面形状的晶体管。于是，结构无论怎样复杂和精密的晶体管，都可以用这种平面工艺压缩在一片小小的半导体硅片上。

平面工艺法的提出，使仙童公司科学家的思路豁然开朗，他们一下子看到了令人振奋的应用前景，他们意识到，不只是几个晶体管可以放置在一块硅片上，几十个、几百个甚至几百万个晶体管都可以放到一块硅片上。

平面工艺后来很快就应用到集成电路的制造上。仙童公司的科学家发现，运用照相平板印刷技术，可以在硅的表面上，把同样的晶体管按照一定的规律重复地排列，同时又使这些晶体管彼此相连。仙童公司的副经理诺伊斯与他人共同提出了制造集成电路的平面工艺法，并主持制造出世界上第一块用半导体硅制成的集成电路。

得克萨斯仪器公司的基尔比当然也认识到平面工艺法的重大价值。在诺伊斯之前半年就在制造“相移振荡器”时成功地实现了把电子线路安放在锗片上的设想。但诺伊斯制成的硅集成电路比基尔比的锗集成电路更实用，更容易生产。

当后来回忆自己在32岁发明集成电路的情况时，诺伊斯风趣地说：“我发明集成电路，那是因为我是一个‘懒汉’。当时曾考虑，用导线连接电子元件太费事，我希望越简单越好。”

而基尔比在得克萨斯仪器公司发明了后来称为集成电路的“固体电路”后，立即得到该公司负责人的重视，他们意识到这种新电子器件的重要性，并预计它将会得到广泛的应用，因此必须大力推广。

1959年2月，基尔比为他本人的“固体电路”申请了专利。不久之后，得克萨斯仪器公司宣布，他们已生产出一种比火柴头还小的半导体固体电路。而仙童公司的诺伊斯，虽然在此之前已使用平面工艺制造出半导体硅片集成电路，但并没有及时申请专利，直到1959年7月，诺伊斯才想到要去办专利申请手续，但时间已比基尔比晚了半年。

此后上述两家公司为集成电路的发明权长期争执不休，就是因为基尔比比诺伊斯申请专利的时间要早一些。基尔比先取得专利，但他的设计思想未能实现；而诺伊斯的平面工艺技术后来成为微电子革命的基础，但他却是在基尔比之后才申请专利的，更何况这一项技术在仙童公司并不是由他一人独自发现并加以完善的。

最后经法庭裁决，集成电路的发明专利权属于基尔比，而关键的有关集成电路的内部连接技术专利权属于诺伊斯。从1961年起，两人的专利使各自所在的公司都得到很大的经济效益，而他们两人也都因此成为国内外知名的发明家及微电子学的创始人，两人还一起获得美国科技人员最渴望得到的“巴伦坦奖章”。

从硅及其化合物在国民经济中的地位来看，从学科发展的角度来看，硅及其化合物在材料科学和信息技术等领域有广泛的用途，在半导体、计算机、建筑、通信及宇宙航行、卫星等方面大显身手，而且它们的应用前景十分广阔；硅酸盐工业在经济建设和日常生活中有着非常重要的地位。无机非金属材料中硅元素唱主角，而含硅元素的材料制品大都是以二氧化硅为原料。所以，首先介绍硅及其化合物，突出了它在社会发展历程中、在科学现代化中的重要性和应用价值。从物质存在和组成多样性的角度来看，硅是无机非金属的主角，是地壳的基本骨干元素。自然界中的岩石、土壤、沙子主要以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，地壳的95%是硅酸盐矿。所以，介绍硅及其化合物，体现了硅元素存在的普遍性和广泛性。从认知规律来看，硅元素的主要化合价只有 4价，硅单质比较稳定，硅的化合物知识也比较简单。因此，学生的学习负担比较轻，有利于学习积极性的保护和培养。本节内容编排有以下特点：从硅及其化合物的知识体系来看，它由二氧化硅和硅酸、硅酸盐以及硅单质等三部分内容组成。在内容编排上打破常规，首先从硅的亲氧性引出硅主要存在的两种形式——二氧化硅和硅酸盐，接着介绍二氧化硅的性质，再介绍硅酸、硅酸盐的一些性质，最后介绍硅单质。先学习比较熟悉的硅的化合物，再学习单质硅的顺序符合认知规律，有利于学生接受。从知识内容的安排上来看，重点、非重点把握准确。主干内容保持一定量，并重彩描绘。例如，二氧化硅的知识突出酸性氧化物的性质，在“科学视野”中介绍硅氧四面体结构，了解二氧化硅的一些物理性质，然后以图配文的方式介绍了二氧化硅的用途，最后让学生通过日常生活中的一些事实，以“思考与交流”的方式得出二氧化硅的化学性质。在学习二氧化硅的化学性质时，既介绍了酸性氧化物的共性，又介绍了SiO2的特性，扩展了学生对非金属酸性氧化物的认识。硅酸盐重点介绍硅酸钠溶液的性质和用途。对非重点知识和拓展性内容，采用多种形式来呈现。例如，简要介绍了硅酸的制取原理和硅胶的用途，应用广泛的硅酸盐产品以图片的形式呈现，一些新型陶瓷以“科学视野”的方式介绍，硅酸盐的组成以“资料卡片”的形式介绍，等等。总之，硅及其化合物知识的介绍，既体现了元素存在的广泛性又体现了应用的前瞻性，既有亲近感又可以使学生开阔眼界，同时也能使学生增强对学习化学的重要性的认识。本节教学重点：二氧化硅的性质。本节教学难点：硅酸盐的丰富性和多样性。教学建议如下：1.采用对比的方法，联系碳、二氧化碳等学生已有的知识和生活经验来介绍硅、二氧化硅等新知识。联系和对比是一种有效的学习方法，通过对比可加深对知识的理解，有利于学生对知识的记忆和掌握。因此，应指导学生学会运用对比的方法来认识物质的共性和个性、区别和联系。碳和硅是同一主族相邻的两种元素，它们的性质既有相似之处，又有不同之处。在教学时要突出硅的亲氧性强于碳的亲氧性，从而引导学生理解硅的两种存在形式——二氧化硅和硅酸盐。对于SiO2化学性质的教学，可启发学生根据SiO2和CO2都是酸性氧化物这一特点，把它们的性质一一列出。然后引导学生从硅的亲氧性大，得出常温下SiO2的化学性质稳定；在加热的条件下，SiO2才能与碱性氧化物起反应，等等。在介绍硅酸时，可以补充这样一个实验：将CO2通入Na2SiO3溶液中，引导学生观察白色胶状沉淀的生成，从而加深对H2SiO3的酸性弱于碳酸的认识。对于硅单质，主要让学生了解硅是重要的半导体材料，在电子工业上有广泛的用途。SiO2的结构知识属于拓展性内容，在教学中不作要求。2.要多运用日常生活中的事例进行教学。非金属元素首先介绍硅元素，硅的化合物普遍存在是原因之一。因此，教学时要多注意联系生产和生活实际，充分利用实物、模型及教科书中的彩图和插图，通过放映教学录像，学生自己搜集有关的实物或照片，在课堂上展示交流等方法，增强教学的直观性，激发学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感。例如，可用生活事例来说明SiO2质硬、不溶于水的性质，引导学生通过观察教科书中的图片、观察陶瓷和玻璃制品等实物来了解硅酸盐的广泛用途等。3.通过自学讨论的方法进行硅酸盐的教学。学生的学习是一个自主构建的过程。他们带着自己原有的知识背景、活动经验和理解走进学习活动，并通过自己的主动活动，包括独立思考、与他人交流和反思等，去构建对化学知识的理解。例如，讲硅酸盐时可指出，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3，它的水溶液称为水玻璃。然后展示样品，观察水玻璃的黏稠性。同时拿出一块反复充分浸过水玻璃并已干燥的布条，把它放在火焰上，结果布条不能燃烧，从而认识用水玻璃浸泡织物可以防火。最后，对于硅酸盐的丰富性和多样性，建议学生以阅读、交流的方式来完成。二、活动建议实验4-1】控制溶液混合物的酸碱性是制取硅酸凝胶的关键。盐酸的浓度以6 mol/L为宜。

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