DIY晶體管:從零開始打造晶體管所需的工具

我在網(wǎng)絡(luò)上看到一些業(yè)余愛好者自己動手做(DIY)晶體管，例如Neil Steiner與Jim等人。其中，最引人注意的自制晶體管來自一位懂半導(dǎo)體組件物理的工匠Jeri Ellsworth。她于2010年在家中打造了一座小型制造廠(或稱為fab)，用自制芯片產(chǎn)一些簡單電路。

有趣的是，在那之后就找不到其他完整記載DIY晶體管的數(shù)據(jù)了。這可能是因為這種類型的制造必然會導(dǎo)致一些危險化學(xué)品的處理，而且需要幾年的時間才能完善(Jeri就花了2年的時間)。再者，由于晶體管是制造電子產(chǎn)品的建構(gòu)模塊，只要用很便宜的價格就能買到，而且還能用于制造出可直接執(zhí)行功能的更復(fù)雜IC。

不過，據(jù)說，如果能在自家實驗室中從無到有制造出晶體管，對于業(yè)余愛好者可說是莫大的成就，我們完全可以想象自行制造出晶體管帶來的那種個人成就感。

如今，大多數(shù)的無晶圓廠公司都將實際的生產(chǎn)外包到海外，因為在投資100億美元打造先進(jìn)的制造廠后，如果還要雇用多位工程師和技術(shù)人員操作廠房設(shè)備，必須面對的經(jīng)常性支出成本就太高了。大多數(shù)公司都無法為這筆龐大的財務(wù)投資維持所需的銷售量。

由于沒有其他能以更低成本生產(chǎn)晶體管的選擇，所以這些海外代工廠還寫下了4,000億美元的銷售紀(jì)錄，大大地?fù)屏艘黄??；旧?，雖然巨大的制造設(shè)施確實導(dǎo)致了成本與技術(shù)障礙，但探索更易于使用的模塊化晶體管制造(特別是原型)，可能更有意義。

例如，Jeri Ellsworth和Neil Steiner分別使用預(yù)制的鍺二極管和硫化鎘光電池制造晶體管。這和只用裸晶建構(gòu)晶體管的方式不同，因為二極管和光電池是預(yù)先制造好的。

從零開始打造晶體管所需的工具，并非家中實驗室的常見工具。以下列出一些較不常見的工具：

? 氮氣罐

? 窯爐

? 氫氟酸(HF)

? 磷硅酸鹽薄膜

? Prime級的硅晶圓

? 乙烯基貼紙取代光罩的光阻劑

? 辨識氧化層厚度的色表

其中一些材料可能比其他材料更有害。任何使用HF的人都必須非常小心，因為這種化學(xué)物質(zhì)可能穿透組織，導(dǎo)致非常嚴(yán)重的灼傷。氮氣罐并不一定必要，但它有助于控制窯爐的氣壓，使其更易于預(yù)測在硅晶上生長氧化層，而且在生長厚度僅幾百埃(A)的薄層時，能夠節(jié)省更多時間。另外，值得注意的是，摻雜純硅是另一個開發(fā)計劃，所以在網(wǎng)絡(luò)上購買預(yù)摻雜的Prime級硅晶可能更加可行。其他業(yè)余愛好者的設(shè)備還包括電源、示波器、鑷子、CPU風(fēng)扇、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂和焊料等。

如何制造晶體管？

晶體管是透過光學(xué)微影工藝制造的，基本上，在基板表面進(jìn)行制圖，以形成各種不同的晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這屬于一種金屬氧化物場效晶體管(MOSFET)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖所示。

同樣地，這種大塊的p型基板很容易就能在網(wǎng)上購買。

在窯爐中生長初始氧化層需要一些時間。例如，Jeri說，大約需要6個小時的時間才能生長出500-600-A厚度的氧化層。測量其厚度時并不需要拉出超小型卡鉗和顯微鏡，因為它的顏色很明顯就能看出厚度。600-A厚的薄層對應(yīng)于綠色。

為了實現(xiàn)特定圖案，透過使用HF就能蝕刻或移除氧化物。針對許多蝕刻步驟，一部份的晶圓可以透過抵抗蝕刻的“屏蔽”材料保護(hù)，免于受到蝕刻劑的影響。乙烯基貼紙光罩可預(yù)切割，以抵抗某些區(qū)域的蝕刻劑。

源區(qū)和漏區(qū)是透過將磷硅酸鹽薄膜旋轉(zhuǎn)到芯片上而產(chǎn)生的，因而在晶圓上存在薄層液體；這通常是采用CPU風(fēng)扇完成的。

再次將組件放置在1000℃的窯爐中一段時間，以便將高濃度的磷沉積到基板和氧化層的表面——產(chǎn)生兩個摻雜的n型區(qū)域，最終形成電子信道流動。

最后，乙烯基光罩用于蝕刻掉閘極區(qū)域，并將其放回窯爐中以生長閘極氧化物層。Jeri指定的厚度為800至1,000A——大約是粉紅至深紅色。

與閘極、源極、漏極和基板的觸點可以用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂制成。這是透過與另一個乙烯基光罩和更多的蝕刻而實現(xiàn)的，以便使接取點向下接觸到源極和漏極，放置能與導(dǎo)線焊接的環(huán)氧樹脂。

其他不同的網(wǎng)站對此有更詳細(xì)的介紹。很顯然，在設(shè)計光罩和規(guī)劃多晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的步驟時，這個過程的復(fù)雜化將會以指數(shù)級增加。任務(wù)的規(guī)模和范圍可能會變得更龐大而難以處理，因此，制造閘極寬度降至納米級的電芯片，需要大型制造設(shè)施以及用于布局?jǐn)?shù)百萬晶體管的CAD程序。