矽單晶成功的消息,第二天就傳到了一機部。
鄭振邦親自來了。
他帶著電工局的幾個幹部,一進廠就直奔實驗室。
「小陸!「鄭振邦一進門就喊,「矽單晶呢?快讓我看看!「
陸承宇把那根矽單晶拿出來,放在桌上。
鄭振邦拿起來,翻來覆去地看,像個孩子拿到了新玩具。
「這就是矽單晶?「他嘖嘖稱奇,「跟鏡子似的,真光滑。這東西,真能做電晶體?「
「能,「陸承宇說,「矽單晶是做電晶體的基礎材料。有了它,我們就能做矽電晶體了。「
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「好!好啊!「鄭振邦激動地拍著桌子,「小陸,你可給咱們部里長臉了!蘇聯專家說咱們三年都搞不出矽單晶,你一個多月就搞出來了!對了,伊萬諾夫那邊聽說了消息,昨天給部里發了封電報,就一句話——「我等著第三瓶伏特加。「這老毛子,還記著賭約呢!「
他從包里拿出一份文件,遞給陸承宇。
「部里研究決定了,廣交會的十一萬美元創匯,全部留廠自用,不收回。另外,部里再追加二十萬設備採購專項經費。還有,調人的權力給你,全國範圍內,你看上誰,我就給你調誰。「
十一萬美元全部留廠,再加二十萬人民幣。
陸承宇眼睛亮了。有了這筆錢,很多之前想做但沒錢做的事,現在都能做了。
「謝謝鄭局長。「
「謝什麼,「鄭振邦擺擺手,「這是你應得的。對了,矽電晶體,什麼時候能做出來?「
「快的話,三個月,「陸承宇說,「慢的話,半年。「
「好!「鄭振邦一拍大腿,「我等你的好消息!「
送走鄭振邦,陸承宇拿著文件,站在實驗室里,深吸了一口氣。
錢有了,人有了,政策有了。但他也知道,錢只是基礎。真正難的,是工藝。
從矽單晶到電晶體,還要經過外延、擴散、光刻、金屬化、封裝測試,五六道工序,每一道都是難關。
「曹文三,「陸承宇說,「把卓邵文、陳總工,還有物理所來的那幾個年輕人叫過來,開個會。「
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會議室里,陸承宇把電晶體的工藝流程寫在黑板上。
「從矽單晶到電晶體,一共六步,「他說,「第一步,外延。在矽單晶片上生長一層很薄的單晶矽層,這層矽的純度更高,缺陷更少,是電晶體的有源區。「
「第二步,擴散。在外延層上擴散雜質,形成發射區和基區。「
「第三步,光刻。在矽片上刻出圖形,定義電晶體的各個區域。「
「第四步,金屬化。在矽片上沉積金屬,形成電極。「
「第五步,封裝。把晶片封裝起來,接上引腳。「
「第六步,測試。測試電晶體的性能參數。「
他頓了頓,又說:「這六步里,最難的是光刻。國內沒有光刻膠,也沒有光刻機。這一步,我們得自己想辦法。「
卓邵文問:「陸工,光刻膠是什麼?「
「光刻膠是一種光敏材料,「陸承宇說,「塗在矽片上,曝光之後,曝光的地方會溶解或者不溶解,這樣就能把圖形轉移到矽片上。國內現在沒有這種東西,得自己配。「
「自己配?「卓邵文愣了一下,「能配出來嗎?「
「能,「陸承宇說,「我查過資料,光刻膠的原理不複雜。雖然精度不如進口的,但做微米級的圖形,應該夠用。「
他說的輕鬆,但心裡也沒底。光刻膠是半導體工藝的核心材料之一,配方和工藝都是保密的。他只能憑記憶里的原理,自己摸索。
「先從外延開始,「陸承宇說,「外延相對簡單,我們先把外延做出來,再一步步往下走。「
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外延工藝,陸承宇選擇了四氯化矽氫氣還原法。
矽烷是易燃易爆的劇毒氣體,國內根本買不到。四氯化矽是化工產品,國內能買到,氫氣可以用電解水的方法自制。
外延爐是李根生幫忙做的,一個石英管反應室,加一個加熱爐,再加上氣體控制系統。
第一次外延,失敗了。
生長出來的矽層,表面粗糙,像磨砂玻璃,根本不是單晶。
陸承宇用剛解鎖的缺陷溯源看了一下,很快找到了原因——矽片清洗不乾淨,表面有殘留的油污和顆粒,導致外延層成核不均勻。
「矽片清洗是第一步,也是最關鍵的一步,「陸承宇對曹文三說,「重新配清洗液,王水加氫氟酸,每片洗三遍,最後用去離子水沖乾淨。「
第二次外延,表面光滑了一些,但還是有缺陷。
缺陷溯源顯示,是氫氣純度不夠。電解水制的氫氣里含有微量的氧氣和水蒸氣,在高溫下和矽反應,生成二氧化矽雜質。
「陳總工,「陸承宇找到陳景潤,「氫氣純度不夠,您有什麼辦法?「
陳景潤想了想:「可以在氫氣通路上加一個鈀管過濾器。鈀在高溫下只允許氫氣透過,其他氣體都過不去。電子管廠里有鈀管,我給你找一根。「
加了鈀管過濾器之後,氫氣純度提高到了六個九。
第三次外延,又失敗了。
這一次,表面光滑了,缺陷也少了,但厚度不均勻——中間厚,兩邊薄,偏差有一微米多。
「溫度不均勻,「陸承宇說,「反應室中間溫度高,兩邊溫度低,導致生長速度不一樣。得調整加熱爐的溫區。「
他在沙盤裡模擬了半夜,重新設計了加熱爐的溫區分布,又加了一個旋轉基座,讓矽片在生長過程中緩慢旋轉。
第四次外延,終於成功了。
生長出來的外延層,表面光滑,厚度均勻,缺陷密度很低。
「檢測一下。「陸承宇說。
卓邵文拿著儀器測了半天,抬起頭,很興奮。
「外延層厚度五微米,偏差小於零點一微米,缺陷密度每平方厘米小於五十個!陸工,成功了!「
陸承宇鬆了一口氣。
外延,搞了半個月,試了四次,終於搞定了。
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接下來是擴散。
擴散工藝,陸承宇選擇了固態源擴散。把硼源和磷源放在石英舟里,和矽片一起放進擴散爐,在高溫下,雜質原子擴散進矽片,形成PN結。
擴散比外延簡單,但也不是一帆風順。
第一次擴散,結深不均勻,中間深兩邊淺。原因是擴散爐的溫區不均勻,和外延爐一樣的問題。
陸承宇調整了溫區,第二次擴散,結深均勻了,但雜質濃度偏高,導致擊穿電壓不夠。
「硼源放多了,「陸承宇說,「減少硼源的量,延長擴散時間,讓雜質慢慢擴散進去。「
第三次擴散,終於成功了。
PN結的性能很好,反向漏電流很小,擊穿電壓也夠高。
「擴散也搞定了,「曹文三興奮地說,「陸工,接下來就是光刻了吧?「
「對,「陸承宇說,「光刻,是最難的一步。「
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光刻的難題,比想像中還大。
首先是光刻膠。
陸承宇按照記憶里的配方,用聚乙烯醇加重鉻酸銨,配了一種光刻膠。塗在矽片上,烘乾,然後用照相底片做掩膜版,曝光。
但第一次曝光,就失敗了。光刻膠的靈敏度太低,曝光了十分鐘,還是沒有反應。
「光敏劑的濃度不夠,「陸承宇說,「加大重鉻酸銨的比例。「
調整配方,第二次曝光。這一次,有反應了,但解析度太低,線條粗得像麵條,根本做不了精細的圖形。
他試了各種方法,調整曝光時間,調整顯影液濃度,調整烘乾溫度……試了十幾次,還是不行。
曹文三有點泄氣了:「陸工,這光刻膠,是不是咱們自己配不出來啊?要不,想想辦法進口?「
「進口?「陸承宇搖搖頭,「美國對我們禁運,光刻膠是戰略物資,根本買不到。「
他站在實驗室里,看著桌上的矽片和光刻膠,陷入了沉思。
光刻膠的問題,必須解決。沒有光刻,就做不了電晶體。
他閉上眼睛,打開沙盤,在沙盤裡模擬光刻膠的配方和工藝。沙盤模擬了上百種配方,終於找到了一種可行的方案——用聚乙烯醇肉桂酸酯做光刻膠,靈敏度和解析度都比重鉻酸銨體系好很多。
但肉桂酸酯,國內也買不到。
「得自己合成。「陸承宇喃喃地說。
他查了資料,肉桂酸酯可以用肉桂酸和聚乙烯醇反應合成。肉桂酸是香料原料,國內能買到。
「卓邵文,「陸承宇說,「你去化工學院問問,能不能幫忙合成聚乙烯醇肉桂酸酯。「
「好!「卓邵文立刻去了。
三天後,卓邵文回來了,帶著一小瓶淡黃色的液體。
「陸工,合成出來了!化工學院的王教授幫忙做的,他說這東西叫光刻膠,是做印刷版用的。「
陸承宇接過那瓶光刻膠,笑了。印刷版用的光刻膠,和半導體用的,原理是一樣的。雖然精度差一些,但湊合用。
他立刻開始試驗。塗膠,烘乾,曝光,顯影,定影。
這一次,終於成功了。光刻出來的圖形,線條寬度能做到五微米,雖然比進口的差遠了,但做電晶體,夠用了。
「成功了!「曹文三激動地跳了起來,「陸工,光刻也搞定了!「
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接下來是金屬化和封裝。
金屬化用真空蒸發鍍膜,蒸一層鋁,然後光刻出電極圖形。
第一次蒸鋁,鋁膜附著力不好,用膠帶一粘就掉。
「矽片表面有氧化層,「陸承宇用缺陷溯源看了一下,「蒸鋁之前,先用氫氟酸漂一下,去掉表面的氧化層,然後立刻進鍍膜機。「
調整之後,鋁膜附著力好了很多。
但刻蝕的時候又出了問題——鋁膜刻蝕不均勻,有些地方過刻蝕,把下面的矽都腐蝕了。
「刻蝕液濃度太高,「陸承宇說,「稀釋一下,縮短刻蝕時間。「
又試了兩次,金屬化終於搞定了。
封裝用陶瓷管殼,金絲鍵合。金絲鍵合是個精細活,國內沒有鍵合機,全靠手工。
劉德順推薦了一個老鉗工,姓周,手特別穩。周師傅練了一個星期,才能把直徑二十微米的金絲,準確地焊在晶片的電極上。
第一次鍵合,一百個管子,只成功了三十個。
「手還是抖,「周師傅說,「再練練,能到五六十個。「
又練了一周,成功率提高到了六十個。
「夠用了,「陸承宇說,「先流一批試試。「
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從矽單晶成功,到全部工藝打通,花了兩個多月。
外延搞了半個月,擴散搞了一周,光刻搞了一個月,金屬化和封裝又搞了半個月。每一步都有失敗,每一步都有調整。
但終於,所有工序都打通了。
第一批矽電晶體,終於可以流片了。
流片那天,實驗室里又擠滿了人。
陸承宇、卓邵文、曹文三、陳景潤、物理所來的三個年輕人,還有李根生和周師傅,都來了。
林硯秋也來了,她站在門口,手裡拿著保密登記本,給每一個進來的人登記。
「都準備好了嗎?「陸承宇問。
「準備好了!「所有人齊聲回答。
陸承宇穿上白大褂,戴上手套,走到工作檯前。
矽片已經清洗乾淨,放在石英舟里。他小心翼翼地把石英舟推進外延爐,關上爐門,打開氣體閥門。
氫氣和四氯化矽的混合氣體,緩緩流入反應室。
溫度升到一千一百五十度。
所有人都屏住了呼吸,盯著外延爐的溫度表。
這一片矽片上,有一百個電晶體。
如果成功,中國就有了自己的矽電晶體。
如果失敗……
陸承宇沒有想下去。
他看著溫度表的指針慢慢穩定在一千一百五十度,剛鬆了一口氣。
突然,指針猛地晃了一下,然後開始瘋狂上升。
一千一百六十度、一千一百八十度、一千兩百度……
「溫控系統故障!「卓邵文臉色大變。
陸承宇的瞳孔驟縮。
矽片還在爐子裡。如果溫度失控,這一爐矽片,全廢了。