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张工 2022-06-24 19:02:04 阅读:12
  

  在自己的车库里做芯片?还在用光刻?不要惊讶,国外确实有人这么做过,而且还是个高中生。

  美国小伙萨姆泽洛夫(Sam Zeloof)从高中就开始尝试自己开发芯片。泽洛夫说,他第一次看到一个博主分享他在油管上自制晶体管的视频,他很感兴趣,于是也开始收集制作芯片所需的原材料和二手设备,为芯片制造做准备。


这个美国高中生在车库里自己造出了芯片


  2018年4月,17岁的Zeloof发布了自己的第一代芯片Z1,这款芯片是自己研发的。Z1采用5微米PMOS(一种具有N型衬底和P沟道的MOS管,通过空穴的流动来承载电流)工艺。虽然只有六个晶体管,但Z1更多的是一个用于测试Zeloof设备的芯片。在逐步调试好设备,掌握了芯片的制作工艺后,Zeloof

  泽洛夫说,他用第一个芯片做了一些很酷的项目,比如LED闪光器和吉他的失真效果装置。虽然它们都工作得很好,但问题也很明显,例如mosfet(一种可广泛用于模拟和数字电路的场效应晶体管)的阈值电压很高,因此需要连接1-2节9伏电池。泽洛夫想在他的新一代芯片中解决这个问题。


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  终于,今年Zeloof的新一代芯片Z2来了。他在个人博客(http://sam.zeloof.xyz)上分享了升级版Z2芯片的制作全过程。

  据其透露,Z2芯片采用10微米多晶硅栅技术,可容纳100个晶体管,与Intel 4004处理器的技术相同。Z2芯片是一个简单的1010晶体管阵列,用于测试、表征和调整过程,但它是向更高级的DIY计算机芯片迈出的一大步。


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   zelof做了一个12个晶体管的阵列,所以整个硅片上集成了1200个晶体管。英特尔的第一款处理器英特尔4004也只有2000个晶体管。泽洛夫表示,“手工作坊”生产的Z2芯片目前已经达到了不错的复杂程度。毕竟他做了上世纪70年代一群英特尔人做的事。泽洛夫说他非常


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  现在我们来看看Zeloof是如何在他的车库里“肝”Z2芯片的。

  泽洛夫说,这种新芯片是用多晶硅栅极工艺制造的。它的阈值电压只有1V左右,在很低的电压下也能很好的工作。同时,它的逻辑电压可以低至3.3V至5V,因此功耗更低,可以封装到更小的芯片中。


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  令人惊讶的是,Z2芯片的第一道工艺居然是从PS开始的。Zeloof说他之所以用PS做芯片设计,是因为PS比一些复杂的专业芯片设计软件用起来更方便。


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  Z2芯片的制造始于200毫米晶圆。这些最初的晶片相对较大,因此Zeloof首先用钻石划片将晶片切成半英寸见方的方块。


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  Zeloof首先需要做芯片的掺杂层,可以形成mosfet的源漏。他把切割好的晶片放在旋转器上,然后在上面沉积光刻胶。只需要100微升左右的光刻胶就可以覆盖整个晶圆,然后以4000转/分的速度旋转出多余的光刻胶30秒。

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  随后将晶圆放在约95度的电热板上干燥1分钟用来除去剩下的溶剂,在溶剂干燥后会留下一层固态薄膜。


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  然后将晶圆送入自制的无掩模光刻机中进行曝光,目的是将之前PS中的图像投影到芯片上,通过dlp投影仪把一些光学器件将图像缩小并投射至芯片。晶圆中心的蓝点是整个曝光场,它大约会持续9秒,当曝光一次结束后继续移动晶圆,以曝光其它区域。


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  下一个步骤是显影。首先把晶圆放在一定百分比的氢氧化钾溶液中约一分钟,从而蚀刻掉暴露的光刻胶部分,接着用水洗去残留的显影剂,并用显微镜检查以确保一切正常,如果出现了问题可以把光刻胶层揭掉,然后用不同的曝光或显影时间再来一次。


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  光刻的图像是在光刻胶层中形成的,下一步是要用蚀刻剂把图像转移到多晶硅层,因此暂时不需要光刻胶掩膜层,可以用丙酮将其剥离。


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  随后对芯片进行清洁干燥,然后加上磷溶液并进行旋转,接着在一千多摄氏度的高温下烘烤45分钟,这样才能将磷原子转移到刚才用光刻胶形成的小井中,以形成mosfet的源极和漏极。


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  接着重复旋涂、烘烤、显影的过程,制作出芯片的栅极层以及接触层。


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  晶圆在高温步骤后表面会有一层绝缘的二氧化硅覆盖,因此在接触层掩膜结束后,还要用氢氟酸(美剧《绝命毒师》中的“化尸水”,虽然是弱酸但腐蚀性惊人,玻璃容器也能腐蚀,化工学子们有道“宁用硫酸盐酸硝酸不用氢氟酸”)或者三氟甲烷之类的试剂进行刻蚀,从而剥离绝缘体来确保通电。


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  然后将晶圆放入真空室,来蒸发一个约1微米厚的铝层,然后再重复整个光刻过程,炫图曝光和显影,以形成金属层。


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  最后给晶圆进行磷酸浴,以蚀刻残留的铝,一枚芯片就这样产生了。


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  但这并不意味着整个芯片生产流程的完成,还需要对制作的芯片进行检查,例如测量栅极的长宽和层厚等参数;用探针台检测晶体管的完好程度。当然,这一步相当繁琐而且这些晶体管非常小,所以连接这些晶体管并不容易。


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  最后,用一台上世纪80年代生产的老货惠普4145A精密半导体参数分析仪,来对晶体管进行电流、电压测试。


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  Zeloof制造的晶体管测量后得到的N沟道mosfet的I-V曲线(电流、电压特性曲线,通常用作工具确定和理解组件或设备的基本参数,并且还可以用于在电子电路中对其行为进行数学建模),Zeloof表示最后结果还算不错。


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  当然,实际的芯片制造过程远没有上述介绍的那么简单,即便是Zeloof在车库中自制的芯片良品率也并不算高,一般12个Z2芯片中只有一个是完全没有缺陷的,剩下的大约只能实现80%的功能,生产流程还需要不断调整和完善。

  Zeloof表示,在开始自制芯片这个项目之前并不知道自己将进入哪个领域获得什么,通过这段车库自制芯片经历,他在物理、化学、光学、电子学以及诸多学科领域中学到的东西远超自己的想象。

  Zeloof从2017年开始在博客中陆续分享的他的项目,获得了不少积极的反馈,有不少芯片专业人士以及爱好者与他联系,甚至得到了一位上世纪70年代使用类似芯片生产流程的资深工程师的帮助。就像Zeloof受他人影响开始了自己的车库芯片项目,Zeloof也希望自己的经历能激励他人对手工制造芯片的热爱。

  *注:本文图片来自Zeloof个人网站及网络视频截图。

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