在自家車庫造芯片？還用到光刻技術(shù)？先別吃驚，國(guó)外真有人這么干了，而且還是一名高中生。
美國(guó)小伙Sam Zeloof從高中開始就嘗試自行研發(fā)芯片，Zeloof稱他最開始是在油管上看到一位博主分享了自制晶體管的視頻，很有興趣，因此自己也開始收集制作芯片所需的原材料和二手設(shè)備，為芯片制造做準(zhǔn)備。
2018年4月，17歲的Zeloof發(fā)布了自己研發(fā)的第一代芯片Z1，Z1采用5微米PMOS（指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管）制程，雖然只有6個(gè)晶體管，但Z1對(duì)Zeloof而言更多是一塊設(shè)備測(cè)試用芯片，當(dāng)逐漸調(diào)試好設(shè)備和掌握了芯片的生產(chǎn)流程后，Zeloof未來的目標(biāo)是制造出能達(dá)到英特爾歷史上第一款處理器Intel 4004水平的芯片。
Zeloof表示他用第一個(gè)芯片做了一些很酷的項(xiàng)目，如LED閃光器，還有吉他的失真效果器，雖然它們的工作狀態(tài)都不錯(cuò)，但問題也很明顯，像是mosfet（一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管）的閾值電壓很高，因此需要連接1-2個(gè)9伏的電池，Zeloof想在他的新一代芯片上解決這個(gè)問題。
終于，今年Zeloof的新一代芯片Z2來了，他在其個(gè)人博客（http://sam.zeloof.xyz）上分享了其制作的升級(jí)版Z2芯片的全過程。
據(jù)其透露，Z2芯片采用10微米多晶硅柵極工藝并可容納100個(gè)晶體管，這與Intel 4004處理器的技術(shù)相同，Z2芯片是一個(gè)簡(jiǎn)單的10×10晶體管陣列，用于測(cè)試、表征和調(diào)整過程，但這是向更先進(jìn)的 DIY 計(jì)算機(jī)芯片邁出的一大步。
Zeloof做了12個(gè)晶體管的陣列，因此整個(gè)硅片上集成了1200個(gè)晶體管，英特爾的第一款處理器Intel 4004也只有2000個(gè)晶體管，Zeloof表示產(chǎn)自“手工作坊”Z2芯片目前也達(dá)到了一個(gè)不錯(cuò)的復(fù)雜水平，畢竟他一個(gè)人干了上個(gè)世紀(jì)70年代英特爾一組人做的事情，Zeloof表示他很快就會(huì)制作更多有趣的電路。
現(xiàn)在來看一下Zeloof是如何在自家車庫“肝”出Z2芯片的。
Zeloof表示這款新芯片是通過多晶硅柵極工藝制造的，它的閾值電壓僅為1伏左右，能在非常低的電壓下良好的工作，同時(shí)，它的邏輯電壓可以低至3.3伏到5伏，因此功耗更低，并且可以封裝成更小的芯片。
令人驚異的是，Z2芯片的第一道工序竟然是從PS中開始的，Zeloof表示他使用PS來做芯片設(shè)計(jì)的原因是PS相較于一些復(fù)雜的專業(yè)芯片設(shè)計(jì)軟件使用起來更加方便。
Z2芯片的制作首先通過200mm的晶圓開始，這些初始晶圓比較大，因此Zeloof首先用金剛石劃片把晶圓切成了半英寸正方形的小塊。
Zeloof首先要做芯片的摻雜層，它能形成mosfet的源極和漏極，他把切好的晶圓放到自旋機(jī)上，然后在上面沉積光刻膠，只需要大概100微升光刻膠就能覆蓋整個(gè)晶圓，然后以4000rpm的速度旋轉(zhuǎn)30秒將多余的光刻膠旋出。
隨后將晶圓放在約95度的電熱板上干燥1分鐘用來除去剩下的溶劑，在溶劑干燥后會(huì)留下一層固態(tài)薄膜。
然后將晶圓送入自制的無掩模光刻機(jī)中進(jìn)行曝光，目的是將之前PS中的圖像投影到芯片上，通過dlp投影儀把一些光學(xué)器件將圖像縮小并投射至芯片。晶圓中心的藍(lán)點(diǎn)是整個(gè)曝光場(chǎng)，它大約會(huì)持續(xù)9秒，當(dāng)曝光一次結(jié)束后繼續(xù)移動(dòng)晶圓，以曝光其它區(qū)域。
下一個(gè)步驟是顯影。首先把晶圓放在一定百分比的氫氧化鉀溶液中約一分鐘，從而蝕刻掉暴露的光刻膠部分，接著用水洗去殘留的顯影劑，并用顯微鏡檢查以確保一切正常，如果出現(xiàn)了問題可以把光刻膠層揭掉，然后用不同的曝光或顯影時(shí)間再來一次。
光刻的圖像是在光刻膠層中形成的，下一步是要用蝕刻劑把圖像轉(zhuǎn)移到多晶硅層，因此暫時(shí)不需要光刻膠掩膜層，可以用丙酮將其剝離。
隨后對(duì)芯片進(jìn)行清潔干燥，然后加上磷溶液并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，接著在一千多攝氏度的高溫下烘烤45分鐘，這樣才能將磷原子轉(zhuǎn)移到剛才用光刻膠形成的小井中，以形成mosfet的源極和漏極。
接著重復(fù)旋涂、烘烤、顯影的過程，制作出芯片的柵極層以及接觸層。
晶圓在高溫步驟后表面會(huì)有一層絕緣的二氧化硅覆蓋，因此在接觸層掩膜結(jié)束后，還要用氫氟酸（美劇《絕命毒師》中的“化尸水”，雖然是弱酸但腐蝕性驚人，玻璃容器也能腐蝕，化工學(xué)子們有道“寧用硫酸鹽酸硝酸不用氫氟酸”）或者三氟甲烷之類的試劑進(jìn)行刻蝕，從而剝離絕緣體來確保通電。
然后將晶圓放入真空室，來蒸發(fā)一個(gè)約1微米厚的鋁層，然后再重復(fù)整個(gè)光刻過程，炫圖曝光和顯影，以形成金屬層。
最后給晶圓進(jìn)行磷酸浴，以蝕刻殘留的鋁，一枚芯片就這樣產(chǎn)生了。
但這并不意味著整個(gè)芯片生產(chǎn)流程的完成，還需要對(duì)制作的芯片進(jìn)行檢查，例如測(cè)量柵極的長(zhǎng)寬和層厚等參數(shù)；用探針臺(tái)檢測(cè)晶體管的完好程度。當(dāng)然，這一步相當(dāng)繁瑣而且這些晶體管非常小，所以連接這些晶體管并不容易。
最后，用一臺(tái)上世紀(jì)80年代生產(chǎn)的老貨惠普4145A精密半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，來對(duì)晶體管進(jìn)行電流、電壓測(cè)試。
Zeloof制造的晶體管測(cè)量后得到的N溝道m(xù)osfet的I-V曲線（電流、電壓特性曲線，通常用作工具確定和理解組件或設(shè)備的基本參數(shù)，并且還可以用于在電子電路中對(duì)其行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模），Zeloof表示最后結(jié)果還算不錯(cuò)。
當(dāng)然，實(shí)際的芯片制造過程遠(yuǎn)沒有上述介紹的那么簡(jiǎn)單，即便是Zeloof在車庫中自制的芯片良品率也并不算高，一般12個(gè)Z2芯片中只有一個(gè)是完全沒有缺陷的，剩下的大約只能實(shí)現(xiàn)80%的功能，生產(chǎn)流程還需要不斷調(diào)整和完善。
Zeloof表示，在開始自制芯片這個(gè)項(xiàng)目之前并不知道自己將進(jìn)入哪個(gè)領(lǐng)域獲得什么，通過這段車庫自制芯片經(jīng)歷，他在物理、化學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)以及諸多學(xué)科領(lǐng)域中學(xué)到的東西遠(yuǎn)超自己的想象。
Zeloof從2017年開始在博客中陸續(xù)分享的他的項(xiàng)目，獲得了不少積極的反饋，有不少芯片專業(yè)人士以及愛好者與他聯(lián)系，甚至得到了一位上世紀(jì)70年代使用類似芯片生產(chǎn)流程的資深工程師的幫助。就像Zeloof受他人影響開始了自己的車庫芯片項(xiàng)目，Zeloof也希望自己的經(jīng)歷能激勵(lì)他人對(duì)手工制造芯片的熱愛。
*注：本文圖片來自Zeloof個(gè)人網(wǎng)站及網(wǎng)絡(luò)視頻截圖。
