使用旋裝式玻璃的業(yè)余半導(dǎo)體摻雜劑

雖然聚光燈通常落在最新的芯片發(fā)布或引人注目的 AI 工具上，但技術(shù)進(jìn)步的真實(shí)故事往往悄無(wú)聲息地上演 — 在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)后面、社區(qū)論壇和臨時(shí)家庭實(shí)驗(yàn)室中。隨著時(shí)間的推移，創(chuàng)新不僅僅是超前;它留下了曾經(jīng)似乎遙不可及的可訪問(wèn)工具和技術(shù)。

那么，當(dāng)昨天的尖端技術(shù)成為今天的周末項(xiàng)目時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？當(dāng)工業(yè)工具涓涓細(xì)流到業(yè)余愛(ài)好者、學(xué)生和獨(dú)立構(gòu)建者手中時(shí)，工程學(xué)將如何發(fā)展？我們能從隱藏的創(chuàng)新循環(huán)中學(xué)到什么，這種循環(huán)不僅賦予公司權(quán)力，而且賦予個(gè)人權(quán)力？

多年來(lái)技術(shù)如何進(jìn)步

每年，我們都會(huì)無(wú)一例外地接觸到另一波“下一件大事”。無(wú)論是新的微控制器、被夸大的 AI 框架，還是從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中提取的一些神奇材料，技術(shù)進(jìn)步的步伐都不會(huì)放緩。對(duì)于我們這些從事工程的人來(lái)說(shuō)，這既令人振奮又令人筋疲力盡。

隨著每一次飛躍，昨天的突破都悄無(wú)聲息地向出口移動(dòng)。曾經(jīng)最前沿的硬件被宣布過(guò)時(shí)，而統(tǒng)治過(guò)去十年的軟件框架發(fā)現(xiàn)自己不受支持、棄用或被一些時(shí)髦的初創(chuàng)公司完全重寫(xiě)。

現(xiàn)在，在許多情況下，舊的東西可以得到維護(hù)。任何從事過(guò)工業(yè)自動(dòng)化工作的人都非常清楚，仍然有 20 年歷史的 PLC 控制設(shè)備，因?yàn)椤八匀挥行А薄５词故沁@些最終也會(huì)失效——更重要的是，讓它們保持運(yùn)行枯竭所需的知識(shí)和組件。

從過(guò)時(shí)到機(jī)遇：舊技術(shù)如何變得觸手可及

然而，隨著新技術(shù)取代舊技術(shù)，工程史上最美麗的模式之一出現(xiàn)了：隨著新技術(shù)的崛起，舊技術(shù)的民主化。曾經(jīng)被數(shù)百萬(wàn)美元研發(fā)預(yù)算鎖定的生產(chǎn)方法、知識(shí)和工具現(xiàn)在對(duì)普通人來(lái)說(shuō)變得容易獲得。曾經(jīng)最前沿的東西現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好用于試驗(yàn)板。

以半導(dǎo)體為例。在早期，構(gòu)建單個(gè)晶體管需要一個(gè)潔凈室、一個(gè)博士學(xué)位和一個(gè)小國(guó)的 GDP。現(xiàn)在？我們讓 YouTube 用戶用一個(gè)烤面包機(jī)、一個(gè)載玻片和一臺(tái)好的顯微鏡來(lái)構(gòu)建工作晶體管。實(shí)用嗎？不。它很棒嗎？絕對(duì)。

計(jì)算也是如此。IBM 過(guò)去以高價(jià)出租的龐然大物機(jī)器現(xiàn)在可以放在您的手掌中，并使用價(jià)值幾美元的硅來(lái)運(yùn)行。事實(shí)上，曾經(jīng)塞滿服務(wù)器機(jī)房的整個(gè)復(fù)古計(jì)算機(jī)現(xiàn)在都可以由業(yè)余愛(ài)好者在一個(gè)周末以不到 100 美元的價(jià)格建造。這不是倒退，而是賦權(quán)。

許多人認(rèn)為的過(guò)時(shí)實(shí)際上只是能力從行業(yè)到個(gè)人的自然轉(zhuǎn)變。 昨天的專(zhuān)有制造流程已經(jīng)成為今天的 DIY 項(xiàng)目。隨著創(chuàng)新的向前發(fā)展，它悄悄地留下了一系列向所有人開(kāi)放的工具、技巧和技術(shù)。

這就是技術(shù)進(jìn)步隱藏的天才——它不僅推動(dòng)我們前進(jìn)。它還降低了其背后的進(jìn)入門(mén)檻，讓下一代工程師、制造商和修補(bǔ)匠能夠站在曾經(jīng)似乎遙不可及的肩膀上。

因此，雖然最新的芯片發(fā)布可能會(huì)成為頭條新聞，但不要忽視昨天的技術(shù)成為當(dāng)今游樂(lè)場(chǎng)的悄無(wú)聲息的力量。在合適的人手中，真正的創(chuàng)新才開(kāi)始。

半導(dǎo)體摻雜讓業(yè)余愛(ài)好者負(fù)擔(dān)得起

研究人員和工程師很早就了解半導(dǎo)體摻雜在電子領(lǐng)域的重要性。 控制材料導(dǎo)電性的能力在 眾多電子元件（包括晶體管、二極管和集成電路）的開(kāi)發(fā)中至關(guān)重要。然而，半導(dǎo)體摻雜劑的高成本傳統(tǒng)上是希望嘗試半導(dǎo)體制造的業(yè)余愛(ài)好者和制造商的進(jìn)入壁壘。

這一發(fā)展特別值得注意的是，工業(yè)中使用的傳統(tǒng)摻雜劑（如磷化氫和乙硼烷）不僅價(jià)格昂貴，而且處理起來(lái)也很危險(xiǎn)。ProjectsInFlight 通過(guò)試驗(yàn)更安全、更容易獲得的化合物（如硼酸和磷酸）來(lái)規(guī)避這一點(diǎn)，從而降低了成本和健康風(fēng)險(xiǎn)。這種精心選擇的材料符合大多數(shù)業(yè)余愛(ài)好者面臨的實(shí)際限制，尤其是那些在沒(méi)有通風(fēng)柜或先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的情況下在家工作的人。

用于家庭制造的工業(yè)摻雜劑的更安全替代品

最近，一家名為 ProjectsInFlight 的創(chuàng)客 成功開(kāi)發(fā)了一種自制的半導(dǎo)體摻雜劑，標(biāo)志著在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域取得了重大成就。在最近的一篇博文中，ProjectsInFlight 概述了制造摻雜劑所采取的步驟，該摻雜劑利用熱擴(kuò)散摻雜將磷或硼原子引入硅晶片。

ProjectsInFlight 的這段詳細(xì)視頻提供了興奮劑過(guò)程的分步分解，包括所涉及的實(shí)際考慮和挑戰(zhàn)。它是書(shū)面指南的寶貴伴侶，為希望安全有效地復(fù)制該方法的制造商提供視覺(jué)清晰度。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，供體晶片涂有磷源，并放置在爐內(nèi)干凈的晶片附近。在高溫下，磷蒸氣擴(kuò)散到干凈的晶圓中。雖然這種方法只能實(shí)現(xiàn)輕摻雜，但它展示了一種安全、有效的方法，不依賴于直接接觸或有毒氣體——這對(duì)非專(zhuān)業(yè)環(huán)境很重要。

在業(yè)余愛(ài)好者環(huán)境中應(yīng)用熱擴(kuò)散摻雜

熱擴(kuò)散摻雜是一種涉及將摻雜原子源放置在硅晶片頂部并將其加熱到高溫的過(guò)程。由此產(chǎn)生的摻雜原子擴(kuò)散到硅晶體結(jié)構(gòu)中，可以精確控制材料的導(dǎo)電性。 雖然這種工藝已廣泛用于商業(yè)半導(dǎo)體制造，但專(zhuān)用設(shè)備和化學(xué)品的高成本使其無(wú)法為業(yè)余愛(ài)好者所用。

ProjectsInFlight 沒(méi)有依賴傳統(tǒng)的固體源或氣相摻雜劑，而是引入了一種使用自制液體溶液的旋裝方法。關(guān)鍵創(chuàng)新在于使用硅酸鹽前驅(qū)體，該前驅(qū)體在高溫加工過(guò)程中轉(zhuǎn)化為摻雜玻璃層。這種方法消除了對(duì)高真空系統(tǒng)或氣體處理的需求，這兩者都對(duì)業(yè)余制造構(gòu)成了嚴(yán)重的障礙。

ProjectsInFlight 的自制摻雜劑采用旋裝玻璃摻雜技術(shù)，該技術(shù)涉及在硅晶片上涂上一層薄薄的前驅(qū)體化學(xué)品。 加熱后，前驅(qū)體化學(xué)物質(zhì)分解形成包含摻雜原子的保護(hù)玻璃層。 當(dāng)晶圓被加熱時(shí)，摻雜原子從玻璃層擴(kuò)散到硅晶體結(jié)構(gòu)中，從而可以 精確控制摻雜水平。

值得注意的是，磷摻雜劑的最終配方包括正硅酸四乙酯 （TEOS）、乙醇、水和磷酸。這些成分經(jīng)過(guò)仔細(xì)平衡，形成穩(wěn)定的溶膠-凝膠混合物，可以旋涂，然后進(jìn)行熱處理以形成均勻的玻璃膜。ProjectsInFlight 報(bào)告稱(chēng)，加工后的硅片顯示出與重?fù)诫s硅一致的電阻率，支持了這種低成本方法的有效性。

配制可靠、經(jīng)濟(jì)高效的旋裝式磷摻雜劑

這種自制摻雜劑的開(kāi)發(fā)是創(chuàng)客社區(qū)的一項(xiàng)重大成就，因?yàn)樗鼮闃I(yè)余愛(ài)好者提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的半導(dǎo)體制造解決方案。 與商業(yè)產(chǎn)品相比，這種摻雜劑大約便宜兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于那些希望嘗試半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的人來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)有吸引力的選擇。

除了降低成本外，該項(xiàng)目還強(qiáng)調(diào)了安全性和可達(dá)性。與銷(xiāo)售給工業(yè)界的傳統(tǒng)旋裝式摻雜劑不同，這些摻雜劑需要冷凍儲(chǔ)存且保質(zhì)期有限，而這種 DIY 解決方案的設(shè)計(jì)更加堅(jiān)固。基于 TEOS 的化學(xué)技術(shù)還利用了大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的已知溶膠-凝膠原理，進(jìn)一步增強(qiáng)了該過(guò)程的可信度和教育價(jià)值。

雖然自制的摻雜劑仍處于早期開(kāi)發(fā)階段，但它已經(jīng)顯示出可喜的結(jié)果。 在最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，ProjectsInFlight 能夠成功地對(duì)硅晶片進(jìn)行摻雜處理，證明了摻雜劑的有效性。 高精度控制摻雜水平的能力還允許創(chuàng)建復(fù)雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可用于廣泛的應(yīng)用，包括晶體管和集成電路。

DIY 興奮劑技術(shù)的早期成功和教育潛力

這種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的半導(dǎo)體摻雜劑的開(kāi)發(fā)也對(duì) 教育和研究領(lǐng)域產(chǎn)生了影響。 商業(yè)摻雜劑的高成本通常是進(jìn)入半導(dǎo)體制造課程和研究項(xiàng)目的障礙，限制了可以參與的學(xué)生和研究人員的數(shù)量。 具有成本效益的摻雜劑解決方案的出現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造的民主化，讓更多的人能夠探索 半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域。

對(duì)于預(yù)算緊張的教育機(jī)構(gòu)，這種方法可以作為固體物理學(xué)、材料科學(xué)和微納加工的實(shí)踐介紹。ProjectsInFlight 甚至演示了用于驗(yàn)證摻雜類(lèi)型（N 型和 P 型）的熱探針測(cè)試，突出了此類(lèi)基本實(shí)驗(yàn)如何在不需要商業(yè)級(jí)計(jì)量工具的情況下驗(yàn)證真實(shí)世界的半導(dǎo)體行為。

隨著更多的改進(jìn)，這種方法有可能擴(kuò)展到其他摻雜劑或基板類(lèi)型。雖然商業(yè)晶圓廠針對(duì)規(guī)模進(jìn)行了優(yōu)化，但像這樣由業(yè)余愛(ài)好者主導(dǎo)的工作優(yōu)先考慮簡(jiǎn)單性、安全性和成本效益——這些原則與教育實(shí)驗(yàn)室、小規(guī)模原型制造和利基組件復(fù)制產(chǎn)生共鳴。

這種新的摻雜劑能否成為國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體的催化劑？

這種新的自制半導(dǎo)體摻雜劑不會(huì)將英特爾或臺(tái)積電從他們的基座上敲下來(lái)。 它不會(huì)為下一代 iPhone 提供動(dòng)力，也不會(huì)與尖端的 2nm 節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)。 但這不是重點(diǎn)——而且從來(lái)都不是。

對(duì)于我們這些關(guān)心訪問(wèn)、創(chuàng)新和將控制權(quán)交還給個(gè)人的人來(lái)說(shuō)，它將做的事情要令人興奮得多。 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的摻雜方法的開(kāi)發(fā)，就像 ProjectsInFlight 最近展示的方法一樣，很可能 是更大事情的開(kāi)始：半導(dǎo)體制造的民主化。

長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體一直存在于價(jià)值數(shù)十億美元的高墻后面。潔凈室、多步驟光刻、異國(guó)情調(diào)的化學(xué)品 - 這是一個(gè)獨(dú)特的俱樂(lè)部。但是，發(fā)現(xiàn)旋裝式玻璃摻雜劑可以廉價(jià)地制造并有效地使用，這打開(kāi)了這扇門(mén)。突然之間，電子愛(ài)好者在他們的車(chē)庫(kù)或?qū)嶒?yàn)室中嘗試基本的晶體管制造并非不可想象。

現(xiàn)在，這些 DIY 芯片不會(huì) 最終出現(xiàn)在任務(wù)關(guān)鍵型航空電子系統(tǒng)中。但它們最終可能會(huì)落入一個(gè)好奇的高中生手中，這個(gè)高中生偶然發(fā)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)的終生熱情。或者一個(gè)大學(xué)生從頭開(kāi)始為他們的論文構(gòu)建一個(gè)有效的雙極結(jié)型晶體管。或者一位車(chē)庫(kù)企業(yè)家找到了一種方法，為傳統(tǒng)系統(tǒng)再制造早已過(guò)時(shí)的芯片——而 Big Silicon 早已放棄了這些行業(yè)。

這不是幻想——這是先例。我們以前也見(jiàn)過(guò)同樣的故事。曾幾何時(shí)，計(jì)算技術(shù)被鎖在政府實(shí)驗(yàn)室和公司手中。然后，自制計(jì)算運(yùn)動(dòng)開(kāi)始了。結(jié)果呢？蘋(píng)果、Microsoft 和整個(gè)現(xiàn)代科技經(jīng)濟(jì)。這始于業(yè)余愛(ài)好者，而不是 MBA。

更實(shí)際地說(shuō)，這種 可訪問(wèn)的摻雜技術(shù)為專(zhuān)業(yè)的小規(guī)模鑄造廠開(kāi)辟了現(xiàn)實(shí)世界的可能性。隨著商業(yè)晶圓廠繼續(xù)專(zhuān)注于最新、最快、最小的晶體管，世界面臨著一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題：舊芯片（想想 7400 邏輯 IC、早期微控制器或?qū)Ｓ媚M部件）正在消失。但是，如果小型團(tuán)隊(duì)或獨(dú)立制造商可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)替換零件，那么突然之間，您就會(huì)看到一種可行的商業(yè)模式，而不需要九位數(shù)的潔凈室。

這就是這里的真實(shí)故事。

這種自制的摻雜劑并不是最終目標(biāo)。 這是一個(gè)開(kāi)始。一個(gè)不起眼的實(shí)驗(yàn)性工具，就像所有偉大的工具一樣，它打開(kāi)了新的大門(mén)。我預(yù)計(jì)它將鼓勵(lì)新一代不再是技術(shù)的被動(dòng)消費(fèi)者，而是開(kāi)始成為創(chuàng)造者。修補(bǔ)匠。建設(shè)者。工程師。

個(gè)人呢？我會(huì)非常密切地關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。 不是因?yàn)樗鼤?huì)在一夜之間翻轉(zhuǎn)整個(gè)行業(yè)，而是因?yàn)樗且粋€(gè)火花。 歷史告訴我們，有時(shí)，只需要一個(gè)人就能點(diǎn)燃火。