忆手工做晶体管

看到报道说集成电路已进入5 nm时代，设备动辄上亿美元一台，不禁想起四十多年前用很简单的工具手工做的晶体管。

1975年进了江苏镇江的半导体器件厂做学徒，第一年的月工资130毛，听说上海的学徒工每月有180毛，地区差还是蛮大的。进厂后学徒工还分两种，一种是技术工如钳工电工，很少，要学三年；另一种是操作工，大部分都是，学两年就满师了。要求当技工还不让只好当了操作工。那时肖克莱的晶体管已发明廿多年了，说到半导体人们马上想到的是晶体管收音机，半导体就是收音机，挺贵的。因为喜欢DIY焊收音机玩，进了这个半导体厂也算是专业对口了，问起来说是半导体厂的，人家就说哦你们是做收音机的啊，什么牌子？半导体厂很清洁，在生产线上要穿白大褂，学徒工还另发了卡其布的衣服下班穿。现在的职业也应该与当初进了这个厂有关吧。

当时厂里做的是一种叫K20的晶体管，全称是3AK20，3是三条腿，A是锗PNP型，K是开关晶体管，编号20。这是一种锗材料采用合金扩散工艺的高频开关晶体管，那时说的高频大概也就是几十MHz的特征频率吧，这种三极管主要是用来做台式晶体管计算机的，也用在其他地方。当时台式的概念大概是一架立式钢琴的尺寸吧，一台要用上千晶体管，所以全国有很多厂家都在做。听说做这种管子的工艺还是半导体所的前辈从苏联学来的。记得当时厂里有几个老大学生工程师负责技术工作，有复旦的有南工的，厂里推荐出去的工农兵学员毕业后还回到厂里，还有中专生在生产线上当技术员管管工艺，很是羡慕。

这种管子翻箱倒柜居然还找到几只，先剖开拍张照片看一下。年代久了，金属管壳已有点绣了，但量了一下三极管还是好的。这种管壳与现在的倒也区别不大，三条腿用玻璃烧结在柯伐座上，帽子再碰焊上去。管子内部是一个小金属镍片（称为支架）点焊在一条腿上，管芯就在支架上部（看不太清），另两条腿上有点焊上的两根细镍丝再连到管芯上。锗晶体管不像硅器件那样有性能优越的热氧化二氧化硅做保护，所以特别怕潮气，因此封管帽时要填充粉末状的分子筛作为吸气剂，支架管芯上还要涂上导热硅胶以利散热，封好后还要抽检一下别漏气，其实就是放在密封玻璃容器里倒入油，再抽真空看有没有气泡出来。

这样的三极管是怎样用手工做出来的呢？做锗晶体管首先得拉出锗单晶切成晶片，再机械研磨抛光。做这种晶体管的晶片厚度大概200微米吧，有其他厂家在做，作为原料买进来，再化学腐蚀抛光清洗一下就可以用了。具体还是画几张草图说明一下吧。

做这种晶体管是从P型晶片开始的，这个P型材料直接就是三极管的集电区了。由于原料的自然掺杂锗单晶一般拉出来就是P型，所以做PNP晶体管较方便。P型晶片首先要做一下锑扩散，就是把晶片放到扩散炉里烧一下，扩散炉里有个小石英壶里面放了纯锑，V族元素加热后挥发出来把晶片表面掺杂成N型作为三极管的基区，形成PN结作为集电结。这道工艺算是高技术了直接影响成品率，得严格控制。扩好的晶片要先手工划成细条，再划成约1毫米见方的颗粒。其实划片时只要按着一定方向划出印痕，然后玻璃纸盖着用笔杆一滚就成颗粒了。现在划片都用现成的精密研磨金刚刀，很贵，当时的划片工具都是自制的。那时老式的机械唱机（就是电影电视里常看到上面树个大喇叭那种）放粗纹唱片用宝石唱针，像个圆珠笔头（要长一些），头上有一粒较尖锐的宝石很硬，用来划锗片很好用。找根笔杆粗细的有机玻璃棒，前端请机修车间师傅车成锥型，把宝石唱针烧一下趁热插进去固定住，就是一根很好的划片刀。

要做成三极管还得有个PN结作为发射结，这个结就得靠所谓合金扩散工艺做出来了。发射结合金是采用III族的铟和镓，这中间有道叫配合金的工艺，就是把这两种熔点不高的元素按一定比例放到坩埚里融合一下，冷却后取出用轧机轧，那个轧机有点像个微型的轧面条机，送进去多轧几遍就成了很薄的箔片，再把箔片用切机横切竖切成小合金粒。后面提到的基极合金也是这样配出来的，这种合金因为是做N区的欧姆接触，所里里面还加了锑和铅。记得当时配合金的是位女大学生专门有个房间，每周只配两次就够用了，很轻松。有了扩散好的锗单晶颗粒和发射结合金颗粒，下一步就是通过真空烧结把发射结做出来，实际就是先把锗单晶颗粒（得分正反）用镊子夹到一块带凸缘的小石英板上逐个紧密排好，然后用细针把发射结合金颗粒粘起来放到每个锗单晶颗粒上，这些都是在体视显微镜下操作，放好后把小石英板小心翼翼地送入炉子，抽真空后加热烧结，在此过程中III族元素扩散进去形成发射结，这是个固态扩散过程，也得精确控制，扩浅了放大倍数低，扩深了EB结太软甚至会烧穿了。

发射结做好了下一步就是装架，也就是把晶粒烧结到小镍片上，实际就是先把镍片一排排逐个排好到石英舟上，这个石英舟也是个有凸缘的石英板，一面接上个石英环方便推进拉出，然后在每排镍片上铺上一条铟箔，再把晶粒用镊子逐个夹上镍片放好（要分左右），都放好后把石英舟推入通氢气的炉子烧一下，一方面铟熔融后把晶粒与镍片固定住，另一方面集电极的欧姆接触也形成了，通氢气是还原气氛起个保护作用。石英舟拉出炉子冷却后在每个晶粒上粘一粒基极合金，再送入炉子烧一下形成基区欧姆接触，取出冷却后把每个镍片分开，包含三极管晶粒的支架就做好了。上面这些都是所谓前道工序，自己并没做过只是看看而已。要把这个包含三极管晶粒的支架做成能用的三极管还有许多后道工序。

后道中做点焊的人算多的了，本人一进厂就干这活，也就是先在那个管座上点焊上两根镍丝，再把支架点焊上去。这活不难也不用显微镜，用镊子夹起一根镍丝放在已搁在点焊机电极上的管脚上，脚踩一下加压通电，一根丝就焊上了，焊支架也是一样电流调大点即可。点焊就是工作量大，记得当时每人的定额是四千只，也就是每天要手工焊八千根丝和四千个支架，就算一秒焊一个点一刻不停也得三个多小时。实际刚去时一整天焊到下班也完不成工作量，师傅看看苗条不对就会来帮忙。熟能生巧，东西放在顺手的地方尽量减小操作距离也很重要，到后来确实三个多小时就可以完成定额。

点焊好了后面一道工序叫拉丝，人最多，就是用电络铁把两根镍丝分别焊到支架上的晶粒上的基极和发射极两个合金球上，得在显微镜下操作，现在说起来估计都没人相信能这样干。拉丝前得先用小剪刀把镍丝剪到所需的长度，再在显微镜下用细镊子把镍丝弯出一个角度，靠镍丝的弹力把尖端顶到两个合金球上压住，这只是准备工作。把镍丝焊上去用的就是普通的电络铁，铜烙铁头要锉到极细。手拿着烙铁把子是没法焊的，得把靠近烙铁头发热的地方用厚石棉带裹上几层，再用纱布扎好，手就直接拿在石棉带上焊，这样距离短才不会发抖。焊时每把电络铁要配个调压器，把温度调到舒服，左手拿起一个管子蘸点助焊液（好像就是稀盐酸里加点锌粒）放到显微镜下看着，右手拿烙铁头去碰两下就好了，说起来十分轻松。这活眼睛不好的当然没法干，眼睛好的恐怕也干不长。

 两个PN结都做好了电极也焊上了这个三极管能用了吗？其实还不行。看一下上边左面的图，这个三级管的基区面积和晶粒一样大，要知道基区面积是直接影响工作频率的；还有这个晶粒是直接拿刀划出来的，后面又经过几道工序，边缘肯定有损伤和漏电的地方，所以是测不到三极管特性的，后面还得加上涂油电解等几道工序。所谓涂油就是用油把两个合金球之间的基区盖上保护起来，油也就是利用普通的真空油脂稀释一下，用细针蘸一点在显微镜下涂到两个合金球之间的区域。涂油的针也是自己做的，就是拿钨丝把一端在碱性溶液中加直流电电解腐蚀一下，可以得到很细的针尖，然后另一端烧一下插到有机玻璃棒的锥端固定即可，这种小工具粘合金球时也用。

涂好油的管子都插到一个内有能导电连通夹具的塑料架子上，一盘大约几十只，然后通电进行电解腐蚀。由于眼睛不太好这道工序又不太费眼，后来我就转到了这里一直干到离开。电解用的腐蚀液是用氢氧化钠和氢氧化钾配起来的，放在个大培养皿里，腐蚀时放在电炉上加热，腐蚀液里面放一块镍片连出来作为一个电极，连通管子的架子作为另一个电极，通上断续的直流电腐蚀几十秒就行了。电解腐蚀后除了涂油保护的那个区域留下个台面，其他不要的基区都腐蚀掉了。这种碱性电解腐蚀还有个抛光作用，腐蚀后晶片及台面边缘都会很光亮平滑，这样特性才好。电解腐蚀后的管子要用流动的热去离子水冲上十几分钟，把腐蚀液和油都彻底冲洗干净，然后烘干，这时测一下就有三极管特性了。管芯在封帽之前一般还要轻微腐蚀一下，再清洗烘干一遍，然后马上涂好导热硅脂加上分子筛封帽，后面就是通电老化和测试筛选分档了。

再来张照片看一下，这张局部清楚一点，涂的导热硅脂还在上面。这种晶体管是不是看上去和肖克莱发明的第一只晶体管（网上有照片）也有点像？其实已进步很多了，但现在估计也已失传了。听说美国已把刻红膜做集成电路那一套都放进博物馆了，学电子的学生上课都会去看一下，也是一段历史。

转眼到了1977年的夏天，学徒两年满师成了师傅，工资涨到每月340毛，还是320毛？记不清了，反正很开心。到了秋天说要恢复高考了，但每天仍在厂里上班完成定额，好在已很熟练了，可以抽空看看书。那年江苏的考生特别多，所以考了两轮，第一轮先十取一，第二轮再五取一。考试前厂里开恩，说报名参加考试的可提前请三天假，去考试也不扣工资，所以两轮实际有十来天的带薪假。那年高考到今年已有四十年，冬天考完第二年春天就去读书了，还是学做半导体。