自制简易版光刻机!22岁小伙造芯片 与微处理器4004相同技术

2022年9月26日 0 Comments

距离贝尔实验室大约 30 英里的一间车库里,有一个 22 岁的小伙正在追赶芯片制造巨头。

上世纪 70 年代,芯片制造巨头英特尔研发了世界上第一款商用计算机微处理器 4004。2021 年 8 月,山姆・泽洛夫(Sam Zeloof)宣布了自己的半导体里程碑 在车库里打造的 Z2 芯片,这块芯片与微处理器 4004 采用了相同技术。

受著名黑客、硬件设计师杰里・埃尔斯沃思(Jeri Ellsworth)成功自制晶体管的启发,泽洛夫开始探索自研芯片。

2018 年,泽洛夫制成了第一代芯片 Z1,这颗芯片采用 5 微米 PMOS 电路工艺,集成 6 个晶体管。仅隔三年,芯片二代 Z2 就已问世。Z2 集成了 1200 个晶体管,是第一个芯片的 200 倍。

而按照摩尔定律的说法,每隔 18~24 个月,集成电路上能容纳晶体管数量会增加 1 倍。如果从这个角度来看,泽洛夫的芯片进化速度可以说是远超摩尔定律了。

虽然泽洛夫的芯片在技术上落后于英特尔,但他总是半开玩笑地说,他的进步比半导体行业早期的进步更快。

从 1947 年贝尔实验室里诞生晶体管,到现在广泛落地,芯片制程技术已经发展到 5nm,英特尔等芯片巨头占据市场主导地位,自己制作一颗芯片似乎费力不讨好。那么,泽洛夫自研芯片的契机是什么?他又是如何在简陋的环境下成功的?我们从他的博客和 YouTube 里找到了答案。

2010 年,埃尔斯沃思在自己的实验室里成功制造了拇指大小的晶体管。机缘巧合下,看到埃尔斯沃思在 YouTube 发布的视频后,2016 年,高中三年级的泽洛夫开始了探索。

除了复制埃尔斯沃思的晶体管制造项目,泽洛夫还希望研发出世界上第一块自制芯片。仅仅 2 年,他就实现了这个目标。从单独的晶体管到集成电路这一过程,在历史上大约需要花费十年的时间。他说:“埃尔斯沃思把它向前推进了一大步,同时提醒世界,这些看似遥不可及的行业,能够开始于更寻常的地方,是非常有价值的。”

2018 年,泽洛夫的第一块芯片在一节体育课上诞生了,它带有 6 个晶体管,可以用于制程与设备测试。他在博客上说:“制造这个芯片需要 66 个步骤,花费了大约 12 个小时。”

在芯片上,泽洛夫选择了跳舞的熊作为标识,它们是美国摇滚乐队 Grateful Dead(感恩至死)的象征。

2021 年 8 月,在 Z1 芯片的基础上,泽洛夫研发出包含 1200 个晶体管的 Z2 芯片,这块芯片上的晶体管大小仅为 10 微米,和红细胞的大小相近。

Z2 采用的是多晶硅栅极工艺,与 Z1 不同,Z2 可以在非常低的电压下工作,它们的阈值电压仅为 1 伏左右,这意味着能将它们封装在更加简单的芯片上。

2021 年年底,他开始研究可以执行简单加法的临时电路设计,希望能赶上英特尔 1971 年突破性的、拥有 2300 个晶体管的 4004 芯片的规模。

计算机芯片制造时常被描述为世界上最困难和最精确的制造过程,泽洛夫是如何在车库里完成如此复杂的过程?

芯片制造是以光刻为特征的制造工艺,其中最为重要的就是通过光刻工艺按照芯片设计布局,然后一层一层把不同的半导体材料安置在硅片上,最后形成一个有结构的线路元器件层。

泽洛夫首先用金刚石划线 毫米的晶圆切成半英寸见方的小块,然后就正式开启了芯片制造过程。

第一步是涂胶,这块半英寸见方的晶圆上需要均匀涂抹光刻胶。泽洛夫利用回收材料自制了旋涂机,为晶圆涂上 100 微升的光刻胶,旋涂机以每分钟 4000 转的速度旋转 30 秒,光刻胶就会均匀地覆盖在晶圆上,并且多余的光刻胶也会被甩掉,之后在大约 95 摄氏度的热板上干燥一分钟,就可以留下一层完整的固体薄膜。

第二步是曝光,泽洛夫自制的无掩膜光刻机派上了用场。相比于全球最大的光刻机供应商 ASML 的大面积曝光接触式光刻机,无掩膜光刻机适用于前期工艺不是很成熟且需要小批量样品量产的情况。在计算机中生成图像后,无掩膜光刻机、DLP(数码光处理)投影仪和一些光学器件,就可以将图像向下投射并将其缩小到晶圆大小的尺寸。

曝光结束后,下一步就是显影。晶圆在氢氧化钾溶液中大约放置一分钟,蚀刻掉曝光的光刻胶部分,接着将残留的显影剂用清洗水去除。

显影之后,泽洛夫会通过电子显微镜来检查晶圆的各项部件是否一切正常,如果出现问题,他会使用不同的曝光或显影时间再重复试验。

然后进行蚀刻和除胶,图像在光刻胶中形成后,泽洛夫使用蚀刻剂将其转移到下面的多晶硅层中,蚀刻后使用丙酮剥离光刻胶掩膜层。

在清洁和干燥晶圆步骤中,他将晶圆放到磷溶液中,在超过 1000 摄氏度的高温下烘烤约 45 分钟,将磷原子驱动到使用光刻定义的晶片上以调整其导电性。

晶片被放入真空室中溅射或热蒸发金属,然后再次进行整个步骤,以封装金属层。完成之后,泽洛夫将整块晶圆放入温暖的磷酸溶液中,蚀刻掉残留的铝,这也表示芯片已经制造成功了。

最后,泽洛夫将彻底检查芯片并拍摄大量特写照片,以测量栅极长度、宽度和层厚等参数。

2021 年 8 月,Zeloof 将 Z2 连接到一台古老的惠普方形米色半导体分析仪中进行测试。在其发光的绿色屏幕上出现了一系列平滑上升的电流-电压曲线,这也证明了他的芯片自制成功。“这条曲线令人惊叹。”泽洛夫说,“在你整天把这片小晶体碎片浸入装有化学品的烧杯中后,这是成功的第一个迹象。”

这之后,他把所有的制作步骤、讲解都共享到了博客、Twitter、YouTube 上,这些视频获得了数百万的浏览量,同时还有半导体行业资深人士为他提供了一些实用技巧。

今天的商业晶圆厂和上述步骤大致相似,都是在芯片设计的不同环节逐渐添加和移除材料。不过,现在最先进的芯片工艺是由机器而不是手工完成,机器可以将数十亿个晶体管紧密排列在一起。泽洛夫的成功证明了在车库里也可以将沙子变成芯片。

现代芯片的制造过程,需要使用昂贵的 HVAC(供暖通风与空气调节)系统,来清除制造工厂中的灰尘,为了避免其价值数十亿美元的芯片制造机器受到影响。在资源、场地有限的条件下,他并不能拥有相似的设备和技术。

因此他阅读了 20 世纪 60 年代和 70 年代的专利和教科书,了解到飞兆半导体(俗称“仙童半导体”)等先驱公司的工程师如何在普通工作台上制造芯片。“他们描述了使用 X-Acto 刀片和胶带以及一些烧杯的方法,而不是我们拥有这台价值 1000 万美元的房间大小的机器。”泽洛夫说。

除此之外,芯片制造过程中的设备还有很多,泽洛夫只能选择在 eBay 和其他拍卖网站上挑选,他发现了 1970 年代和 80 年代的廉价芯片设备。可想而知,许多设备由于年久失修,需要大量的维修、护理,但相比于获取现代实验室的机器还是修补更加容易。

最令泽洛夫惊喜的是,他发现了一台破损的电子显微镜,可以用来检查芯片是否有缺陷。这台显微镜在 90 年代初期可能价值 25 万美元,然而他只花了 1000 美元就买到并修好了显微镜。

在芯片制造过程中,泽洛夫缺少的设备和技术还很多,有时他不得不即兴发挥。光刻机作为芯片制造中必不可少的设备,可以将前期的微观细节设计转移到芯片上,对后续的处理步骤也至关重要。他将亚马逊上购买的会议室投影仪和电子显微镜组织起来,就变成了简易版的“车库光刻机”,这台设备可以将图像设计以微小的规模投射到硅晶片上。

这台光刻机最近又被泽洛夫更新升级了,它可以打印小至约 0.3 微米或 300 纳米的细节,这已经相当于 90 年代中期的商业芯片技术。现在,他正考虑在英特尔 4004 规模的芯片中构建相关功能。“我想进一步推动自制芯片,让人们更相信我们可以在家中做这些事情。”他说。

泽洛夫今年春天将从卡内基梅隆大学毕业,他一直在思考 DIY(自己动手制作)芯片制造在现代科技生态系统中的地位。

从整个行业来看,现在的技术和设备都为 DIY 实验提供了帮助,包括容易买到的机器人设备和 3D 打印机、硬件成熟的开发平台 Arduino 微控制器和 Raspberry Pi(树莓派)等。“但这些芯片仍然是在某个地方的大工厂生产的,这让芯片技术在易于制造方面收效甚微。”泽洛夫说。

刚开始,这个 22 岁的年轻人开始在博客上介绍他的项目目标时,一些行业专家通过电子邮件告诉他这是不可能的。不过泽洛夫认为,这个行业中拥有这么多工具,可以让人们小规模制造芯片成为可能。

泽洛夫的家人在支持他的同时还提供了一些帮助。OLED 屏幕制造技术公司半导体工程师马克・罗斯曼(Mark Rothman),在芯片工程领域工作了 40 年,是泽洛夫的父亲的朋友。罗斯曼为泽洛夫提供了一些安全建议,但他认为在车库里自制芯片的想法是异想天开。

看到泽洛夫的成功后,这位半导体工程师逐渐对这个项目改观,并说:“他做了我从未想过人们会做的事情。”

泽洛夫正在开发他的第三块“车库芯片”Z3,将进一步探索制造完整的微处理器。这块诞生于车库的芯片可能不会安装到你的手机、电脑、游戏机上,但它为那些没有数百万美元预算的“发明家们”,展现了更多可能性。

现在芯片制造技术动辄上百万、上亿美元的投入,如此高的进入门槛让芯片制造技术越来越垄断于大公司之手,只有将技术还给社会,才能对其创新发展有利。

虽然小规模的芯片作坊可能无法解决大环境下芯片供应短缺的问题,但是在未来,小规模芯片制造工厂越来越多,或许会促进半导体技术的飞速发展。

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