第428章从锗到硅的跨越

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性能上完全是废品。
    为了压制这种热对流。物理学家们在单晶炉外部加装了一组巨大的超导电磁铁。
    利用法拉第电磁感应定律，在导电的液态硅熔池中施加一个强大的恒定磁场。当液态硅在磁场中流动时，会切割磁感线产生感应电流，感应电流在磁场中又受到洛伦兹力的作用，这个力在刚好与硅液流动的方向相反。
    这就形成了一个强大的磁阻尼效应。原本波涛汹涌的硅液熔池，在磁场的镇压下，变得如同死水一般平静。氧杂质的对流输送被大幅度削减。
    经过长达数周的反复失败和参数调整。
    一九四八年十二月十日。
    当单晶炉的拉杆最终升至顶端，真空腔室冷却充气后打开。
    一根直径七十五毫米、长达五十厘米，通体呈现出深灰色金属光泽且毫无瑕疵的单晶硅棒，展现在了所有工程师的面前。
    大西北在材料学上，终于攀爬过了最艰难的那座硅基山峰。
    但有了纯净的单晶硅棒，距离制造出能够在高温下稳定工作的晶体管，还有最后一道技术门槛。
    早期的锗晶体管采用的是点接触工艺。那是用两根极其细小的金丝，在显微镜下手工扎在半导体表面。这种结构不仅难以进行大批量流水线生产，而且抗震性能极差。
    既然硅的表面在空气中极易形成一层致密的二氧化硅绝缘层。大西北的工程师们决定反其道而行之，利用这层玻璃作为掩膜，开发出一种全新的、彻底颠覆微电子制造历史的工艺——平面光刻工艺。
    西京物理研究院，超净光学微缩实验室。
    这里的光线被调成了昏暗的黄色，以防止感光材料发生意外曝光。
    女工王芳站在一台精密的光学曝光机前。
    她的面前，是一片从单晶硅棒上切割下来、经过化学机械抛光至镜面级别的硅圆片。
    第一步：热氧化。硅片被送入一千度的高温氧化炉中，通入高纯度氧气和水蒸气。硅表面在高温下与氧发生反应，生长出一层厚度均匀、致密绝缘的二氧化硅薄膜。
    第二步：涂胶。在硅片表面均匀地旋涂一层光刻胶。
    第三步：紫外线曝光。王芳将一块刻有复杂微观电路图形的玻璃光刻掩膜版，精确地对准在硅片上方。按下开关。高强度的紫外线灯亮起。紫外线穿透掩膜版上透明的部分，照射在光刻胶上。被光照射到的光刻胶发生化学键断裂，变得可以溶解。而掩膜版黑色不透明部分遮挡的区域，光刻胶保持原样。
    第四步：显影与化学刻蚀。将硅片浸入显影液，被紫外线照射过的光刻胶被洗去，露出了下方的二氧化硅层。随后，硅片被放入含有剧毒氢氟酸的腐蚀液中。氢氟酸只腐蚀裸露的二氧化硅，将其溶解成氟硅酸。而未被光照射、仍有光刻胶保护的区域，二氧化硅层完好无损。最后，用有机溶剂洗去剩余的光刻胶。
    在这片不到一毫米厚的硅片表面，工程师们利用光和化学溶剂，像雕刻艺术品一样，在二氧化硅的城墙上，精确地挖出了一个个微米级别的窗口。
    这些微小的窗口，直接暴露出下方的纯净硅基底。
    随后，硅片被送入高温扩散炉。
    含有磷或硼的气体在高温下进入炉管。
    这些杂质原子无法穿透致密的二氧化硅城墙，只能顺着那些被光刻出来的微小窗口，向着裸露的硅基底内部进行热运动扩散。
    通过精确控制炉温和时间，杂质扩散的深度和浓度被死死地锁定。
    在同一片硅片上，通过多次氧化、光刻和不同杂质的扩散，工程师们在不需要任何手工金丝搭接的情况下，完全在二维平面上，利用半导体内部的三维结构，制造出了成千上万个稳定的N-P-N或者P-N-P结。
    一九四八年十二月二十五日。
    大西北计算科学研究所的测试实验室内。
    在这个滴水成冰的严冬。
    那台曾经在七十五度就发生热失控的雷达火控计算机原型机，再次被推入了环境模拟舱。
    不同的是，这次其内部原本那些如同小圆帽般的锗点接触晶体管，全部被替换成了采用平面光刻工艺制造的第一代“硅平面晶体管”。
    “舱内温度上升。八十度。”测试主管盯着控制台。
    示波器上的波形稳定如初。
    “一某度。一百二十度。”
    模拟超音速飞机在突破音障时产生的剧烈气动加热环境。
    “一百五十摄氏度。”
    在控制大厅内，所有的工程师屏住了呼吸。
    在一百五十度的高温下，硅晶格内部的热运动变得极其剧烈。但它那一点一二电子伏特的禁带宽度，如同一道坚不可摧的大坝，死死地挡住了本征载流子的跃迁。
    只有那些在光刻窗口中被精确掺杂的杂质电子，依然在有条不紊地按照门电路的逻辑，进行着放大

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