自制簡(jiǎn)易版光刻機(jī)，22歲小伙在車庫(kù)里造出芯片

作者 |  程茜
編輯 |  Panken
距離貝爾實(shí)驗(yàn)室大約30英里的一間車庫(kù)里，有一個(gè)22歲的小伙正在追趕芯片制造巨頭。上世紀(jì)70年代，芯片制造巨頭英特爾研發(fā)了世界上第一款商用計(jì)算機(jī)微處理器4004。2021年8月，山姆·澤洛夫（Sam Zeloof）宣布了自己的半導(dǎo)體里程碑——在車庫(kù)里打造的Z2芯片，這塊芯片與微處理器4004采用了相同技術(shù)。

受著名黑客、硬件設(shè)計(jì)師杰里·埃爾斯沃思（Jeri Ellsworth）成功自制晶體管的啟發(fā)，澤洛夫開始探索自研芯片。2018年，澤洛夫制成了第一代芯片Z1，這顆芯片采用5微米PMOS電路工藝，集成6個(gè)晶體管。僅隔三年，芯片二代Z2就已問世。Z2集成了1200個(gè)晶體管，是第一個(gè)芯片的200倍。而按照摩爾定律的說法，每隔18~24個(gè)月，集成電路上能容納晶體管數(shù)量會(huì)增加1倍。如果從這個(gè)角度來看，澤洛夫的芯片進(jìn)化速度可以說是遠(yuǎn)超摩爾定律了。雖然澤洛夫的芯片在技術(shù)上落后于英特爾，但他總是半開玩笑地說，他的進(jìn)步比半導(dǎo)體行業(yè)早期的進(jìn)步更快。

從1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室里誕生晶體管，到現(xiàn)在廣泛落地，芯片制程技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到5nm，英特爾等芯片巨頭占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，自己制作一顆芯片似乎費(fèi)力不討好。那么，澤洛夫自研芯片的契機(jī)是什么？他又是如何在簡(jiǎn)陋的環(huán)境下成功的？我們從他的博客和YouTube里找到了答案。01.2年從晶體管“變”芯片66個(gè)步驟制成

2010年，埃爾斯沃思在自己的實(shí)驗(yàn)室里成功制造了拇指大小的晶體管。機(jī)緣巧合下，看到埃爾斯沃思在YouTube發(fā)布的視頻后，2016年，高中三年級(jí)的澤洛夫開始了探索。除了復(fù)制埃爾斯沃思的晶體管制造項(xiàng)目，澤洛夫還希望研發(fā)出世界上第一塊自制芯片。僅僅2年，他就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。從單獨(dú)的晶體管到集成電路這一過程，在歷史上大約需要花費(fèi)十年的時(shí)間。他說：“埃爾斯沃思把它向前推進(jìn)了一大步，同時(shí)提醒世界，這些看似遙不可及的行業(yè)，能夠開始于更尋常的地方，是非常有價(jià)值的?！?/span>2018年，澤洛夫的第一塊芯片在一節(jié)體育課上誕生了，它帶有6個(gè)晶體管，可以用于制程與設(shè)備測(cè)試。他在博客上說：“制造這個(gè)芯片需要66個(gè)步驟，花費(fèi)了大約12個(gè)小時(shí)?！?/span>在芯片上，澤洛夫選擇了跳舞的熊作為標(biāo)識(shí)，它們是美國(guó)搖滾樂隊(duì)Grateful Dead（感恩至死）的象征。

2021年8月，在Z1芯片的基礎(chǔ)上，澤洛夫研發(fā)出包含1200個(gè)晶體管的Z2芯片，這塊芯片上的晶體管大小僅為10微米，和紅細(xì)胞的大小相近。Z2采用的是多晶硅柵極工藝，與Z1不同，Z2可以在非常低的電壓下工作，它們的閾值電壓僅為1伏左右，這意味著能將它們封裝在更加簡(jiǎn)單的芯片上。2021年年底，他開始研究可以執(zhí)行簡(jiǎn)單加法的臨時(shí)電路設(shè)計(jì)，希望能趕上英特爾1971年突破性的、擁有2300個(gè)晶體管的4004芯片的規(guī)模。
02.在車庫(kù)里制造工藝步驟與晶圓廠相似

計(jì)算機(jī)芯片制造時(shí)常被描述為世界上最困難和最精確的制造過程，澤洛夫是如何在車庫(kù)里完成如此復(fù)雜的過程？芯片制造是以光刻為特征的制造工藝，其中最為重要的就是通過光刻工藝按照芯片設(shè)計(jì)布局，然后一層一層把不同的半導(dǎo)體材料安置在硅片上，最后形成一個(gè)有結(jié)構(gòu)的線路元器件層。澤洛夫首先用金剛石劃線器將200毫米的晶圓切成半英寸見方的小塊，然后就正式開啟了芯片制造過程。

第一步是涂膠，這塊半英寸見方的晶圓上需要均勻涂抹光刻膠。澤洛夫利用回收材料自制了旋涂機(jī)，為晶圓涂上100微升的光刻膠，旋涂機(jī)以每分鐘4000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)30秒，光刻膠就會(huì)均勻地覆蓋在晶圓上，并且多余的光刻膠也會(huì)被甩掉，之后在大約95攝氏度的熱板上干燥一分鐘，就可以留下一層完整的固體薄膜。

第二步是曝光，澤洛夫自制的無掩膜光刻機(jī)派上了用場(chǎng)。相比于全球最大的光刻機(jī)供應(yīng)商ASML的大面積曝光接觸式光刻機(jī)，無掩膜光刻機(jī)適用于前期工藝不是很成熟且需要小批量樣品量產(chǎn)的情況。在計(jì)算機(jī)中生成圖像后，無掩膜光刻機(jī)、DLP（數(shù)碼光處理）投影儀和一些光學(xué)器件，就可以將圖像向下投射并將其縮小到晶圓大小的尺寸。

曝光結(jié)束后，下一步就是顯影。晶圓在氧化鉀溶液中大約放置一分鐘，蝕刻掉曝光的光刻膠部分，接著將殘留的顯影劑用清洗水去除。顯影之后，澤洛夫會(huì)通過電子顯微鏡來檢查晶圓的各項(xiàng)部件是否一切正常，如果出現(xiàn)問題，他會(huì)使用不同的曝光或顯影時(shí)間再重復(fù)試驗(yàn)。然后進(jìn)行蝕刻和除膠，圖像在光刻膠中形成后，澤洛夫使用蝕刻劑將其轉(zhuǎn)移到下面的多晶硅層中，蝕刻后使用丙酮?jiǎng)冸x光刻膠掩膜層。在清潔和干燥晶圓步驟中，他將晶圓放到磷溶液中，在超過1000攝氏度的高溫下烘烤約45分鐘，將磷原子驅(qū)動(dòng)到使用光刻定義的晶片上以調(diào)整其導(dǎo)電性。

晶片被放入真空室中濺射或熱蒸發(fā)金屬，然后再次進(jìn)行整個(gè)步驟，以封裝金屬層。完成之后，澤洛夫?qū)⒄麎K晶圓放入溫暖的磷酸溶液中，蝕刻掉殘留的鋁，這也表示芯片已經(jīng)制造成功了。最后，澤洛夫?qū)氐讬z查芯片并拍攝大量特寫照片，以測(cè)量柵極長(zhǎng)度、寬度和層厚等參數(shù)。2021年8月，Zeloof將Z2連接到一臺(tái)古老的惠普方形米色半導(dǎo)體分析儀中進(jìn)行測(cè)試。在其發(fā)光的綠色屏幕上出現(xiàn)了一系列平滑上升的電流-電壓曲線，這也證明了他的芯片自制成功?！斑@條曲線令人驚嘆。”澤洛夫說，“在你整天把這片小晶體碎片浸入裝有化學(xué)品的燒杯中后，這是成功的第一個(gè)跡象。”

這之后，他把所有的制作步驟、講解都共享到了博客、Twitter、YouTube上，這些視頻獲得了數(shù)百萬的瀏覽量，同時(shí)還有半導(dǎo)體行業(yè)資深人士為他提供了一些實(shí)用技巧。今天的商業(yè)晶圓廠和上述步驟大致相似，都是在芯片設(shè)計(jì)的不同環(huán)節(jié)逐漸添加和移除材料。不過，現(xiàn)在最先進(jìn)的芯片工藝是由機(jī)器而不是手工完成，機(jī)器可以將數(shù)十億個(gè)晶體管緊密排列在一起。澤洛夫的成功證明了在車庫(kù)里也可以將沙子變成芯片。
03.二手網(wǎng)站回收材料，自制光刻機(jī)

那么他是如何解決芯片制造過程中出現(xiàn)的設(shè)備短缺問題？現(xiàn)代芯片的制造過程，需要使用昂貴的HVAC（供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）系統(tǒng)，來清除制造工廠中的灰塵，為了避免其價(jià)值數(shù)十億美元的芯片制造機(jī)器受到影響。在資源、場(chǎng)地有限的條件下，他并不能擁有相似的設(shè)備和技術(shù)。因此他閱讀了20世紀(jì)60年代和70年代的專利和教科書，了解到飛兆半導(dǎo)體（俗稱“仙童半導(dǎo)體”）等先驅(qū)公司的工程師如何在普通工作臺(tái)上制造芯片?！八麄兠枋隽耸褂肵-Acto刀片和膠帶以及一些燒杯的方法，而不是‘我們擁有這臺(tái)價(jià)值1000萬美元的房間大小的機(jī)器?！睗陕宸蛘f。除此之外，芯片制造過程中的設(shè)備還有很多，澤洛夫只能選擇在eBay和其他拍賣網(wǎng)站上挑選，他發(fā)現(xiàn)了1970年代和80年代的廉價(jià)芯片設(shè)備。可想而知，許多設(shè)備由于年久失修，需要大量的維修、護(hù)理，但相比于獲取現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器還是修補(bǔ)更加容易。最令澤洛夫驚喜的是，他發(fā)現(xiàn)了一臺(tái)破損的電子顯微鏡，可以用來檢查芯片是否有缺陷。這臺(tái)顯微鏡在90年代初期可能價(jià)值25萬美元，然而他只花了1000美元就買到并修好了顯微鏡。在芯片制造過程中，澤洛夫缺少的設(shè)備和技術(shù)還很多，有時(shí)他不得不即興發(fā)揮。光刻機(jī)作為芯片制造中必不可少的設(shè)備，可以將前期的微觀細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到芯片上，對(duì)后續(xù)的處理步驟也至關(guān)重要。他將亞馬遜上購(gòu)買的會(huì)議室投影儀和電子顯微鏡組織起來，就變成了簡(jiǎn)易版的“車庫(kù)光刻機(jī)”，這臺(tái)設(shè)備可以將圖像設(shè)計(jì)以微小的規(guī)模投射到硅晶片上。

這臺(tái)光刻機(jī)最近又被澤洛夫更新升級(jí)了，它可以打印小至約0.3微米或300納米的細(xì)節(jié)，這已經(jīng)相當(dāng)于90年代中期的商業(yè)芯片技術(shù)。現(xiàn)在，他正考慮在英特爾4004規(guī)模的芯片中構(gòu)建相關(guān)功能。“我想進(jìn)一步推動(dòng)自制芯片，讓人們更相信我們可以在家中做這些事情?！彼f。澤洛夫今年春天將從卡內(nèi)基梅隆大學(xué)畢業(yè)，他一直在思考DIY（自己動(dòng)手制作）芯片制造在現(xiàn)代科技生態(tài)系統(tǒng)中的地位。從整個(gè)行業(yè)來看，現(xiàn)在的技術(shù)和設(shè)備都為DIY實(shí)驗(yàn)提供了幫助，包括容易買到的機(jī)器人設(shè)備和3D打印機(jī)、硬件成熟的開發(fā)平臺(tái)Arduino微控制器和Raspberry Pi（樹莓派）等?！暗@些芯片仍然是在某個(gè)地方的大工廠生產(chǎn)的，這讓芯片技術(shù)在易于制造方面收效甚微。”澤洛夫說。剛開始，這個(gè)22歲的年輕人開始在博客上介紹他的項(xiàng)目目標(biāo)時(shí)，一些行業(yè)專家通過電子郵件告訴他這是不可能的。不過澤洛夫認(rèn)為，這個(gè)行業(yè)中擁有這么多工具，可以讓人們小規(guī)模制造芯片成為可能。澤洛夫的家人在支持他的同時(shí)還提供了一些幫助。OLED屏幕制造技術(shù)公司半導(dǎo)體工程師馬克·羅斯曼（Mark Rothman），在芯片工程領(lǐng)域工作了40年，是澤洛夫的父親的朋友。羅斯曼為澤洛夫提供了一些安全建議，但他認(rèn)為在車庫(kù)里自制芯片的想法是異想天開。看到澤洛夫的成功后，這位半導(dǎo)體工程師逐漸對(duì)這個(gè)項(xiàng)目改觀，并說：“他做了我從未想過人們會(huì)做的事情?！?/span>
04.結(jié)語(yǔ)：小作坊vs大工廠車庫(kù)芯片的逆襲

澤洛夫正在開發(fā)他的第三塊“車庫(kù)芯片”Z3，將進(jìn)一步探索制造完整的微處理器。這塊誕生于車庫(kù)的芯片可能不會(huì)安裝到你的手機(jī)、電腦、游戲機(jī)上，但它為那些沒有數(shù)百萬美元預(yù)算的“發(fā)明家們”，展現(xiàn)了更多可能性。現(xiàn)在芯片制造技術(shù)動(dòng)輒上百萬、上億美元的投入，如此高的進(jìn)入門檻讓芯片制造技術(shù)越來越壟斷于大公司之手，只有將技術(shù)還給社會(huì)，才能對(duì)其創(chuàng)新發(fā)展有利。雖然小規(guī)模的芯片作坊可能無法解決大環(huán)境下芯片供應(yīng)短缺的問題，但是在未來，小規(guī)模芯片制造工廠越來越多，或許會(huì)促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展。來源：WIRED