第五爐定向切割鍺片被分成兩組後,姜明在工藝卡上標明先硼後磷的雙擴散順序,目標結構定為NPN,首輪只進行硼擴散。
源雷二號的矽版工藝曾在一千一百度附近完成,熱氧化矽膜承擔擴散掩蔽,窗口邊界在高溫後仍能維持清楚。
鍺的工作條件需要重新建立,姜明將第一批硼擴散溫度定在六百二十度,保溫兩小時,以延長時間彌補擴散溫度下降帶來的結深差別。
鍺片表面先形成一層薄氧化鍺,再按設計窗口去除局部膜層,窗口寬度、邊緣位置和片號全部在放大鏡下覆核並拍照留存。
大劉檢查氮氣鋼瓶與減壓閥,將擴散爐管置換到規定時間,老孫把試片裝進石英舟,確認鍺片彼此分開後推入預熱區。
方旭東把爐溫、氣體流量和推進位置接入同一張記錄表,升溫曲線越過五百度以後,他每隔固定溫區便記一次膜面觀察結果。
六百二十度穩定下來時,石英管內的鍺片仍保持原有輪廓,窗口邊緣從窺視位置看不出變化,保溫計時隨即開始。
兩小時結束,老孫先將石英舟退到降溫段,待溫度落入取片範圍才打開端部,隔著手套把試片移到潔淨托盤。
第一片鍺片轉到工作燈下,表面的薄膜已經布滿細碎裂紋,擴散窗口邊緣向外翹起,靠近片緣的一圈膜層大片脫落。
方旭東用放大鏡逐片檢查,原先規整的窗口邊界被剝落區向外推開,幾處裂紋還沿著表面延伸到相鄰區域。
「剝落邊界跟窗口邊緣重合,開口處先壞。」他把擴散前照片壓在鍺片旁,用細針指出膜層翹起的起點。
隨後做出的結區檢查顯示,硼從窗口進入鍺體的同時,也穿過剝落區向兩側擴散,實際邊界較設計位置偏出約十微米。
雙擴散三極體的基區寬度本就依賴兩次擴散結深之差,第一層結區偏出十微米,後續磷擴散即使按計劃完成,結構也會脫離設計值。
姜明在工藝卡上圈出六百二十度和兩小時兩項參數,又把氧化膜裂紋位置與窗口圖重合,實際剝落程度超過了此前按資料作出的估計。
「降到五百八十度,時間先保持兩小時,另做一批,只檢查膜層和橫向擴散。」他從備用切片中取出同一區間樣品,重新處理表面與窗口。
第二批試片進入擴散爐後,氮氣流量、石英舟位置和升降溫速率全部沿用第一批條件,主動變量只剩溫度降低四十度。
取片時,膜面裂紋數量確實減少,片緣剝落面積也縮小了一截,可窗口附近仍分布著翹起薄片,局部區域已經露出鍺基體。
四探針測量顯示橫向擴散量隨溫度下降而收窄,窗口邊界依舊形成不規則電阻率帶,距離雙擴散器件要求仍差得遠。
方旭東把兩批結果畫到同一張截面圖上,六百二十度對應的擴散邊界向外鋪開,五百八十度曲線稍窄,卻保留同樣的膜層失效形態。
姜明翻開材料熱力學資料,將氧化鍺和氧化矽的穩定區間並列起來,鍺氧化物在當前擴散條件下容易分解並揮發,薄膜連續性隨之破壞。
降低溫度只能減輕剝落,繼續向下壓溫又會把擴散時間拉得過長,雜質濃度和結深也更難控制,熱氧化鍺這條掩蔽路線已經失去工程價值。
吳漢章看完兩批試片,將放大鏡擱回桌面,問道:「矽片那層氧化膜能守住窗口,鍺片守不住,替代材料從哪兒找?」
姜明在黑板上列出氮化矽薄膜、沉積二氧化矽膜和光刻膠三條路徑,每一條後面都接著當前設備條件與材料來源。
氮化矽需要氨氣、矽源和可控制的高溫反應條件,502現階段缺少成膜設備,工藝氣體的純度與安全處置也要另行解決。
沉積二氧化矽可以繞開鍺表面的熱氧化過程,真空蒸發或濺射設備卻要重新改造,薄膜附著力、針孔和熱應力仍需逐項試驗。
光刻膠適合形成細小窗口,國內眼下缺少穩定工業材料,耐溫和殘留污染也需要實測,短期內難以直接接入擴散爐。
老孫用鑷子夾起一片起皮鍺片,看著邊緣捲起的薄膜問道:「電子管封口能用蠟和玻璃釉,這裡能不能也糊一層擋住雜質?」
「蠟到這個溫度會碳化,殘留碳會污染鍺表面,玻璃釉與鍺的熱膨脹差得多,升溫以後容易帶著表面開裂。」
姜明說完又把玻璃釉三個字保留下來,在旁邊添上低溫玻璃薄膜,老孫的做法直接用於擴散行不通,材料方向卻值得留作備選。
方旭東將兩批擴散曲線、膜面照片和結區偏移數據整理成工藝簡報,經內部交換渠道送給王守武,詢問半導體研究組的掩蔽試驗經驗。
回信在次日送到502,王守武提到研究組也遇到相近問題。
他們嘗試過蒸發沉積氧化矽膜,耐溫表現優於熱氧化鍺,附著力與針孔仍會拖累窗口邊界。
信末另有一行手寫批註:「鍺的表面大概生來就不如矽省心。」
吳漢章讀完,把信遞給姜明,隨手將兩批廢試片裝進對照盒,盒蓋上分別寫著「六百二十度起皮」和「五百八十度局部剝落」。
同一天,物理所轉來一封內部技術通訊,封面印著近期半導體研究摘要。
吳漢章翻開冊子,視線在其中一頁停留良久,隨後將那薄薄的紙張推至姜明面前。
他的食指重重壓在一個署名上:謝希德。
旁邊緊挨著的題目正涉及鍺表面態密度測量,摘要里探討的表面處理、界面缺陷與電學性質,猶如一道精準的準星,徑直瞄向了502擴散試片正遭受的裂紋、剝落與漏電痼疾。