第155章 高頻本振源攻堅與「雙擴散」微米基極工藝
下午兩點，502研究室的工作檯上擺著六隻玻璃封裝的小管子，管腳鍍金，外殼印著物理所的編號和日期。
方旭東把其中一隻夾在測試座上，接好偏置電源和信號發生器，緩慢地把頻率旋鈕從一百兆赫往上推。
示波器上的輸出波形在三百兆赫時還算乾淨，到了四百兆赫開始失真，五百兆赫時幅度掉了一半，等頻率推過六百兆赫，屏幕上的正弦波已經塌成了一條幾乎平直的線。
「完了。」方旭東把信號發生器關掉，從測試座上取下那隻管子，放回紙盒裡，「六隻全一樣，五百兆赫以上電流放大係數歸零，截止頻率就卡在這裡，上不去。」
姜明站在工作檯對面，手裡拿著那隻管子的技術數據表，目光停在基極寬度那一欄：八微米。
八微米，這是物理所用手工劃片和光刻能做到的極限了，再往下走設備精度就不夠。
而要讓三極體在一吉赫茲以上還有足夠的增益作為本振管使用，基極寬度必須壓到一微米以下，最好在零點五微米附近。
「光刻做不了。」方旭東把數據表從姜明手裡抽走，攤在桌上用手指戳著那行數字，「物理所的光刻機解析度極限是五微米，這已經是全國最好的設備了，你就是把鏡頭磨破也不可能一步跳到零點五微米。」
姜明沒有接這句話，他轉身走到黑板前面，拿起粉筆開始畫圖。
第一筆畫的是一個長方形，標註為矽片截面。
第二筆在長方形上部畫了一條淺色的薄層，標註為磷擴散N型層。
第三筆在薄層下方又畫了一條更淺更薄的線，標註為硼擴散P型層。
方旭東看著黑板上的圖，眉頭從皺緊到鬆開再到皺緊，中間經歷了大約十秒。
「你要用擴散來做基極？」
「磷在矽中的擴散係數大約是硼的三倍。」姜明在兩層之間寫上了數字，「同一溫度下，同樣時間，磷跑得比硼快得多。如果我先擴散硼進去形成P型基極層，再從同一表面擴散磷進去形成N型發射極層，磷會追上硼並且超過它。」
粉筆在黑板上畫出兩條曲線，一條是硼的濃度分布，從表面開始緩慢衰減，另一條是磷的濃度分布，從表面開始陡峭下降，但初始濃度高出硼很多。
「兩條曲線的交叉點，就是基極和發射極的交界面。」姜明用粉筆在交叉點上畫了一個圈，「而基極寬度就是硼擴散前沿到磷擴散前沿之間的距離。」
他在圈旁邊寫了一個數字：零點五微米。
「這個距離不是靠光刻刻出來的，是靠兩種雜質原子在晶格里跑步的速度差，自然形成的。」
方旭東盯著黑板上的兩條曲線看了很久，嘴唇動了幾次，最終說出來的是一個技術問題而不是質疑：「擴散溫度和時間怎麼控制？硼先進，磷後進，中間要不要冷卻？兩次擴散的交界面濃度梯度夠不夠陡？」
「硼擴散一千一百攝氏度，四小時，氮氣保護。」姜明邊說邊在黑板上寫參數，「冷卻到室溫後翻面檢查，確認硼結深約兩微米。然後磷擴散一千零五十攝氏度，兩小時，磷的初始表面濃度要比硼高兩個數量級，擴散完成後磷結深約一點五微米，和硼結深之間的差值就是基極寬度。」
老孫在門口站了一會兒了，手裡提著一隻帆布工具包，聽到一千一百度這個數字，把包放在門邊的凳子上走了進來。
「你那個石英管擴散爐能到這個溫度嗎？」
「能到。」姜明轉身面對老孫，「但溫度波動必須控制在正負兩度以內，否則擴散深度偏差會超出允許範圍。」
老孫點頭：「熱電偶我重新標定一下，控溫那個繼電器接觸不好，我昨天已經換了一副新觸點，下午再跑一遍空爐溫度曲線。」
大劉跟在老孫後面進來，手裡端著一隻搪瓷盆，盆里放著三隻棕色玻璃瓶和一摞濾紙。
「氫氟酸拿來了，濃度按你說的配好，百分之五，百分之十，百分之二十各一瓶。」
姜明看了一眼那三隻瓶子：「先用百分之五的把矽片表面氧化層腐蝕乾淨，擴散前不能有任何殘留。」
準備工作從下午兩點一直持續到傍晚六點，老孫把擴散爐的溫度曲線跑了三遍，確認升溫段線性度合格，恆溫段波動在正負一點五度以內。
大劉配好了所有腐蝕液，又把硼源和磷源分別稱量裝入石英舟。
晚上七點，第一批矽片裝入石英管。
爐溫按每小時一百五十度的速率爬升，石英管兩端通著高純氮氣，管口排出的氣體帶著微弱的熱浪，在鐵架台上方形成一層看不見的擾動。
四個小時後，硼擴散完成，爐溫開始下降。
姜明守在溫度記錄儀旁邊，每隔十五分鐘在本子上抄一組數據，從一千一百度一路記錄到三百度以下才離開。
凌晨兩點，矽片冷卻到室溫取出，表面呈現均勻的深藍色，那是硼矽酸鹽玻璃薄膜的顏色。
大劉用氫氟酸把玻璃膜腐蝕掉，露出乾淨的矽面。
第二天上午，磷擴散開始，一千零五十度，兩小時，石英管里換上了磷源。
下午四點，第二次擴散完成，冷卻，取片，腐蝕表面磷矽酸鹽玻璃。
方旭東把其中一片矽片夾在偏光顯微鏡的載物台上，調好焦距，把眼睛湊到目鏡前面。
偏光下，矽片截面清晰地呈現出三層結構：最上面是磷擴散形成的N型發射極，中間是一道極窄的亮線，那就是硼擴散形成的P型基極層，下面是原始的N型矽襯底作為集電極。
方旭東調了三次微調旋鈕，把目鏡刻度尺對準那道亮線的上下邊界，讀數，計算。
「零點四八微米。」
他從目鏡前直起身，看著姜明，表情很複雜，嘴張開又合上，最後只說了一句：「你這個人到底在哪學的這些東西。」
姜明沒有回應這個問題，他伸手從方旭東手裡接過那片矽片，對著窗戶的光線看了看表面的均勻度，然後放回乾燥皿里。
零點四八微米的基極寬度，截止頻率可以推到兩吉赫茲以上，足夠做本振管了。
老孫站在擴散爐旁邊，把石英管里的殘餘磷源倒出來收好，聽見方旭東報的那個數字，轉頭問了一句：「成了？」
「成了。」
老孫把石英舟放回架子上，手在圍裙上擦了擦，沒有多說什麼，但嘴角往上提了提。
方旭東已經開始動手把第一批雙擴散矽片切割成單管晶片，準備焊接管腳和封裝。
到了晚上八點，三隻封裝好的雙擴散矽三極體被插進參數測試儀的管座里，偏置電源接通，集電極電流表的指針在極高的偏置電壓下緩緩偏轉，從零開始往右移動。
方旭東把信號發生器頻率推到一吉赫茲，輸出端的示波器上出現了清晰的正弦波，幅度沒有衰減。
他繼續往上推，一點五吉赫茲，波形還在。
兩吉赫茲，波形開始輕微失真，但增益仍然大於一。
方旭東的手停在旋鈕上，回頭看了姜明一眼。
姜明盯著示波器屏幕上那條還在跳動的綠色曲線，手裡的鉛筆在稿紙邊緣無意識地轉了兩圈。
本振源的問題解決了，接下來是混頻二極體。
方旭東把其中一隻夾在測試座上，接好偏置電源和信號發生器，緩慢地把頻率旋鈕從一百兆赫往上推。
示波器上的輸出波形在三百兆赫時還算乾淨，到了四百兆赫開始失真，五百兆赫時幅度掉了一半，等頻率推過六百兆赫，屏幕上的正弦波已經塌成了一條幾乎平直的線。
「完了。」方旭東把信號發生器關掉，從測試座上取下那隻管子，放回紙盒裡，「六隻全一樣，五百兆赫以上電流放大係數歸零，截止頻率就卡在這裡，上不去。」
姜明站在工作檯對面，手裡拿著那隻管子的技術數據表，目光停在基極寬度那一欄：八微米。
八微米，這是物理所用手工劃片和光刻能做到的極限了，再往下走設備精度就不夠。
而要讓三極體在一吉赫茲以上還有足夠的增益作為本振管使用，基極寬度必須壓到一微米以下，最好在零點五微米附近。
「光刻做不了。」方旭東把數據表從姜明手裡抽走，攤在桌上用手指戳著那行數字，「物理所的光刻機解析度極限是五微米，這已經是全國最好的設備了，你就是把鏡頭磨破也不可能一步跳到零點五微米。」
姜明沒有接這句話，他轉身走到黑板前面，拿起粉筆開始畫圖。
第一筆畫的是一個長方形，標註為矽片截面。
第二筆在長方形上部畫了一條淺色的薄層，標註為磷擴散N型層。
第三筆在薄層下方又畫了一條更淺更薄的線，標註為硼擴散P型層。
方旭東看著黑板上的圖，眉頭從皺緊到鬆開再到皺緊，中間經歷了大約十秒。
「你要用擴散來做基極？」
「磷在矽中的擴散係數大約是硼的三倍。」姜明在兩層之間寫上了數字，「同一溫度下，同樣時間，磷跑得比硼快得多。如果我先擴散硼進去形成P型基極層，再從同一表面擴散磷進去形成N型發射極層，磷會追上硼並且超過它。」
粉筆在黑板上畫出兩條曲線，一條是硼的濃度分布，從表面開始緩慢衰減，另一條是磷的濃度分布，從表面開始陡峭下降，但初始濃度高出硼很多。
「兩條曲線的交叉點，就是基極和發射極的交界面。」姜明用粉筆在交叉點上畫了一個圈，「而基極寬度就是硼擴散前沿到磷擴散前沿之間的距離。」
他在圈旁邊寫了一個數字：零點五微米。
「這個距離不是靠光刻刻出來的，是靠兩種雜質原子在晶格里跑步的速度差，自然形成的。」
方旭東盯著黑板上的兩條曲線看了很久，嘴唇動了幾次，最終說出來的是一個技術問題而不是質疑：「擴散溫度和時間怎麼控制？硼先進，磷後進，中間要不要冷卻？兩次擴散的交界面濃度梯度夠不夠陡？」
「硼擴散一千一百攝氏度，四小時，氮氣保護。」姜明邊說邊在黑板上寫參數，「冷卻到室溫後翻面檢查，確認硼結深約兩微米。然後磷擴散一千零五十攝氏度，兩小時，磷的初始表面濃度要比硼高兩個數量級，擴散完成後磷結深約一點五微米，和硼結深之間的差值就是基極寬度。」
老孫在門口站了一會兒了，手裡提著一隻帆布工具包，聽到一千一百度這個數字，把包放在門邊的凳子上走了進來。
「你那個石英管擴散爐能到這個溫度嗎？」
「能到。」姜明轉身面對老孫，「但溫度波動必須控制在正負兩度以內，否則擴散深度偏差會超出允許範圍。」
老孫點頭：「熱電偶我重新標定一下，控溫那個繼電器接觸不好，我昨天已經換了一副新觸點，下午再跑一遍空爐溫度曲線。」
大劉跟在老孫後面進來，手裡端著一隻搪瓷盆，盆里放著三隻棕色玻璃瓶和一摞濾紙。
「氫氟酸拿來了，濃度按你說的配好，百分之五，百分之十，百分之二十各一瓶。」
姜明看了一眼那三隻瓶子：「先用百分之五的把矽片表面氧化層腐蝕乾淨，擴散前不能有任何殘留。」
準備工作從下午兩點一直持續到傍晚六點，老孫把擴散爐的溫度曲線跑了三遍，確認升溫段線性度合格，恆溫段波動在正負一點五度以內。
大劉配好了所有腐蝕液，又把硼源和磷源分別稱量裝入石英舟。
晚上七點，第一批矽片裝入石英管。
爐溫按每小時一百五十度的速率爬升，石英管兩端通著高純氮氣，管口排出的氣體帶著微弱的熱浪，在鐵架台上方形成一層看不見的擾動。
四個小時後，硼擴散完成，爐溫開始下降。
姜明守在溫度記錄儀旁邊，每隔十五分鐘在本子上抄一組數據，從一千一百度一路記錄到三百度以下才離開。
凌晨兩點，矽片冷卻到室溫取出，表面呈現均勻的深藍色，那是硼矽酸鹽玻璃薄膜的顏色。
大劉用氫氟酸把玻璃膜腐蝕掉，露出乾淨的矽面。
第二天上午，磷擴散開始，一千零五十度，兩小時，石英管里換上了磷源。
下午四點，第二次擴散完成，冷卻，取片，腐蝕表面磷矽酸鹽玻璃。
方旭東把其中一片矽片夾在偏光顯微鏡的載物台上，調好焦距，把眼睛湊到目鏡前面。
偏光下，矽片截面清晰地呈現出三層結構：最上面是磷擴散形成的N型發射極，中間是一道極窄的亮線，那就是硼擴散形成的P型基極層，下面是原始的N型矽襯底作為集電極。
方旭東調了三次微調旋鈕，把目鏡刻度尺對準那道亮線的上下邊界，讀數，計算。
「零點四八微米。」
他從目鏡前直起身，看著姜明，表情很複雜，嘴張開又合上，最後只說了一句：「你這個人到底在哪學的這些東西。」
姜明沒有回應這個問題，他伸手從方旭東手裡接過那片矽片，對著窗戶的光線看了看表面的均勻度，然後放回乾燥皿里。
零點四八微米的基極寬度，截止頻率可以推到兩吉赫茲以上，足夠做本振管了。
老孫站在擴散爐旁邊，把石英管里的殘餘磷源倒出來收好，聽見方旭東報的那個數字，轉頭問了一句：「成了？」
「成了。」
老孫把石英舟放回架子上，手在圍裙上擦了擦，沒有多說什麼，但嘴角往上提了提。
方旭東已經開始動手把第一批雙擴散矽片切割成單管晶片，準備焊接管腳和封裝。
到了晚上八點，三隻封裝好的雙擴散矽三極體被插進參數測試儀的管座里，偏置電源接通，集電極電流表的指針在極高的偏置電壓下緩緩偏轉，從零開始往右移動。
方旭東把信號發生器頻率推到一吉赫茲，輸出端的示波器上出現了清晰的正弦波，幅度沒有衰減。
他繼續往上推，一點五吉赫茲，波形還在。
兩吉赫茲，波形開始輕微失真，但增益仍然大於一。
方旭東的手停在旋鈕上，回頭看了姜明一眼。
姜明盯著示波器屏幕上那條還在跳動的綠色曲線，手裡的鉛筆在稿紙邊緣無意識地轉了兩圈。
本振源的問題解決了，接下來是混頻二極體。