我在網路上看到一些業餘愛好者自己動手做(DIY)電晶體,例如Neil SteinerJim等人。其中,最引人注意的自製電晶體來自一位懂半導體元件物理的工匠Jeri Ellsworth。她於2010年在家中打造了一座小型製造廠(或稱為fab),用自製晶片產一些簡單電路

有趣的是,在那之後就找不到其他完整記載DIY電晶體的資料了。這可能是因為這種類型的製造必然會導致一些危險化學品的處理,而且需要幾年的時間才能完善(Jeri就花了2年的時間)。再者,由於電晶體是製造電子產品的建構模組,只要用很便宜的價格就能買到,而且還能用於製造出可直接執行功能的更複雜IC。

不過,據說,如果能在自家實驗室中從無到有製造出電晶體,對於業餘愛好者可說是莫大的成就,我們完全可以想像自行製造出電晶體帶來的那種個人成就感。

如今,大多數的無晶圓廠公司都將實際的生產外包到海外,因為在投資100億美元打造先進的製造廠後,如果還要僱用多位工程師和技術人員操作廠房設備,必須面對的經常性支出成本就太高了。大多數公司都無法為這筆龐大的財務投資維持所需的銷售量。

由於沒有其他能以更低成本生產電晶體的選擇,所以這些海外代工廠還寫下了4,000億美元的銷售紀錄,大大地撈了一票。基本上,雖然巨大的製造設施確實導致了成本與技術障礙,但探索更易於使用的模組化電晶體製造(特別是原型),可能更有意義。

例如,Jeri Ellsworth和Neil Steiner分別使用預製的鍺二極體和硫化鎘光電池製造電晶體。這和只用裸晶建構電晶體的方式不同,因為二極體和光電池是預先製造好的。

從零開始打造電晶體所需的工具,並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)
  • 磷矽酸鹽薄膜
  • Prime級的矽晶圓
  • 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,因為這種化學物質可能穿透組織,導致非常嚴重的灼傷。氮氣罐並不一定必要,但它有助於控制窯爐的氣壓,使其更易於預測在矽晶上生長氧化層,而且在生長厚度僅幾百埃(A)的薄層時,能夠節省更多時間。另外,值得注意的是,摻雜純矽是另一個開發計劃,所以在網路上購買預摻雜的Prime級矽晶可能更加可行。其他業餘愛好者的設備還包括電源、示波器、鑷子、CPU風扇、導電環氧樹脂和焊料等。

如何製造電晶體?

電晶體是透過光學微影製程製造的,基本上,在基板表面進行製圖,以形成各種不同的電晶體拓撲結構,這屬於一種金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)的拓撲結構,如下圖所示。

transistor (來源:Shutterstock)

同樣地,這種大塊的p型基板很容易就能在網上購買。

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。測量其厚度時並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厚的薄層對應於綠色。

為了實現特定圖案,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「遮罩」材料保護,免於受到蝕刻劑的影響。乙烯基貼紙光罩可預切割,以抵抗某些區域的蝕刻劑。

源區和漏區是透過將磷矽酸鹽薄膜旋轉到晶片上而產生的,因而在晶圓上存在薄層液體;這通常是採用CPU風扇完成的。

再次將元件放置在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——產生兩個摻雜的n型區域,最終形成電子通道流動。

最後,乙烯基光罩用於蝕刻掉閘極區域,並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電環氧樹脂製成。這是透過與另一個乙烯基光罩和更多的蝕刻而實現的,以便使接取點向下接觸到源極和漏極,放置能與導線焊接的環氧樹脂。

其他不同的網站對此有更詳細的介紹。很顯然,在設計光罩和規劃多電晶體拓撲結構的步驟時,這個過程的複雜化將會以指數級增加。任務的規模和範圍可能會變得更龐大而難以處理,因此,製造閘極寬度降至奈米級的電晶片,需要大型製造設施以及用於佈局數百萬電晶體的CAD程式。

編譯:Susan Hong

(參考原文:DIY transistor fabrication: Are you up to the challenge?,by Aalyia Shaukat)