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    這個美國高中生在車庫里自己造出了芯片
    2021-12-05           作者:綜合

    在自家車庫造芯片?還用到光刻技術?先別吃驚,國外真有人這么干了,而且還是一名高中生。

    美國小伙Sam Zeloof從高中開始就嘗試自行研發芯片,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備,為芯片制造做準備。

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    2018年4月,17歲的Zeloof發布了自己研發的第一代芯片Z1,Z1采用5微米PMOS(指n型襯底、p溝道,靠空穴的流動運送電流的MOS管)制程,雖然只有6個晶體管,但Z1對Zeloof而言更多是一塊設備測試用芯片,當逐漸調試好設備和掌握了芯片的生產流程后,Zeloof未來的目標是制造出能達到英特爾歷史上第一款處理器Intel 4004水平的芯片。

    Zeloof表示他用第一個芯片做了一些很酷的項目,如LED閃光器,還有吉他的失真效果器,雖然它們的工作狀態都不錯,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字電路的場效晶體管)的閾值電壓很高,因此需要連接1-2個9伏的電池,Zeloof想在他的新一代芯片上解決這個問題。

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    終于,今年Zeloof的新一代芯片Z2來了,他在其個人博客(http://sam.zeloof.xyz)上分享了其制作的升級版Z2芯片的全過程。

    據其透露,Z2芯片采用10微米多晶硅柵極工藝并可容納100個晶體管,這與Intel 4004處理器的技術相同,Z2芯片是一個簡單的10×10晶體管陣列,用于測試、表征和調整過程,但這是向更先進的 DIY 計算機芯片邁出的一大步。

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    Zeloof做了12個晶體管的陣列,因此整個硅片上集成了1200個晶體管,英特爾的第一款處理器Intel 4004也只有2000個晶體管,Zeloof表示產自“手工作坊”Z2芯片目前也達到了一個不錯的復雜水平,畢竟他一個人干了上個世紀70年代英特爾一組人做的事情,Zeloof表示他很快就會制作更多有趣的電路。

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    現在來看一下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,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。

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    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來做芯片設計的原因是PS相較于一些復雜的專業芯片設計軟件使用起來更加方便。

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    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。

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    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晶圓,然后以4000rpm的速度旋轉30秒將多余的光刻膠旋出。

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    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,在溶劑干燥后會留下一層固態薄膜。

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    然后將晶圓送入自制的無掩模光刻機中進行曝光,目的是將之前PS中的圖像投影到芯片上,通過dlp投影儀把一些光學器件將圖像縮小并投射至芯片。晶圓中心的藍點是整個曝光場,它大約會持續9秒,當曝光一次結束后繼續移動晶圓,以曝光其它區域。

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    下一個步驟是顯影。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,如果出現了問題可以把光刻膠層揭掉,然后用不同的曝光或顯影時間再來一次。

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    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移到多晶硅層,因此暫時不需要光刻膠掩膜層,可以用丙酮將其剝離。

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    隨后對芯片進行清潔干燥,然后加上磷溶液并進行旋轉,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移到剛才用光刻膠形成的小井中,以形成mosfet的源極和漏極。

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    接著重復旋涂、烘烤、顯影的過程,制作出芯片的柵極層以及接觸層。

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    晶圓在高溫步驟后表面會有一層絕緣的二氧化硅覆蓋,因此在接觸層掩膜結束后,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行刻蝕,從而剝離絕緣體來確保通電。

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    然后將晶圓放入真空室,來蒸發一個約1微米厚的鋁層,然后再重復整個光刻過程,炫圖曝光和顯影,以形成金屬層。

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    最后給晶圓進行磷酸浴,以蝕刻殘留的鋁,一枚芯片就這樣產生了。

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    但這并不意味著整個芯片生產流程的完成,還需要對制作的芯片進行檢查,例如測量柵極的長寬和層厚等參數;用探針臺檢測晶體管的完好程度。當然,這一步相當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。

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    最后,用一臺上世紀80年代生產的老貨惠普4145A精密半導體參數分析儀,來對晶體管進行電流、電壓測試。

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    Zeloof制造的晶體管測量后得到的N溝道mosfet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備的基本參數,并且還可以用于在電子電路中對其行為進行數學建模),Zeloof表示最后結果還算不錯。

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    當然,實際的芯片制造過程遠沒有上述介紹的那么簡單,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Z2芯片中只有一個是完全沒有缺陷的,剩下的大約只能實現80%的功能,生產流程還需要不斷調整和完善。

    Zeloof表示,在開始自制芯片這個項目之前并不知道自己將進入哪個領域獲得什么,通過這段車庫自制芯片經歷,他在物理、化學、光學、電子學以及諸多學科領域中學到的東西遠超自己的想象。

    Zeloof從2017年開始在博客中陸續分享的他的項目,獲得了不少積極的反饋,有不少芯片專業人士以及愛好者與他聯系,甚至得到了一位上世紀70年代使用類似芯片生產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目,Zeloof也希望自己的經歷能激勵他人對手工制造芯片的熱愛。

    *注:本文圖片來自Zeloof個人網站及網絡視頻截圖。

    責任編輯:Geoffrey 來源:
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