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这个美国高中生在车库里,自己造芯片

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大数据文摘 2021-09-19 20:29
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大数据文摘作品授权转载自品玩

作者|洪雨晗

在自家车库造芯片?还用到光刻技术?先别吃惊,国外真有人这么干了,而且还是一名高中生。

美国小伙Sam Zeloof从高中开始就尝试自行研发芯片,Zeloof称他最开始是在油管上看到一位博主分享了自制晶体管的视频,很有兴趣,因此自己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。

高中时期的Zeloof

2018年4月,17岁的Zeloof发布了自己研发的第一代芯片Z1,Z1采用5微米PMOS(指n型衬底、p沟道,靠空穴的流动运送电流的MOS管)制程,虽然只有6个晶体管,但Z1对Zeloof而言更多是一块设备测试用芯片,当逐渐调试好设备和掌握了芯片的生产流程后,Zeloof未来的目标是制造出能达到英特尔历史上第一款处理器Intel 4004水平的芯片。

Zeloof表示他用第一个芯片做了一些很酷的项目,如LED闪光器,还有吉他的失真效果器,虽然它们的工作状态都不错,但问题也很明显,像是mosfet(一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管)的阈值电压很高,因此需要连接1-2个9伏的电池,Zeloof想在他的新一代芯片上解决这个问题。

用Z1芯片做的吉他失真效果器

终于,今年Zeloof的新一代芯片Z2来了,他在其个人博客(http://sam.zeloof.xyz)上分享了其制作的升级版Z2芯片的全过程。

据其透露,Z2芯片采用10微米多晶硅栅极工艺并可容纳100个晶体管,这与Intel 4004处理器的技术相同,Z2芯片是一个简单的10×10晶体管阵列,用于测试、表征和调整过程,但这是向更先进的 DIY 计算机芯片迈出的一大步。

Zeloof的Z1和Z2芯片

Zeloof做了12个晶体管的阵列,因此整个硅片上集成了1200个晶体管,英特尔的第一款处理器Intel 4004也只有2000个晶体管,Zeloof表示产自“手工作坊”Z2芯片目前也达到了一个不错的复杂水平,毕竟他一个人干了上个世纪70年代英特尔一组人做的事情,Zeloof表示他很快就会制作更多有趣的电路。

Z2芯片上的晶体管阵列

现在来看一下Zeloof是如何在自家车库“肝”出Z2芯片的。

Zeloof表示这款新芯片是通过多晶硅栅极工艺制造的,它的阈值电压仅为1伏左右,能在非常低的电压下良好的工作,同时,它的逻辑电压可以低至3.3伏到5伏,因此功耗更低,并且可以封装成更小的芯片。

晶圆切面示意图

令人惊异的是,Z2芯片的第一道工序竟然是从PS中开始的,Zeloof表示他使用PS来做芯片设计的原因是PS相较于一些复杂的专业芯片设计软件使用起来更加方便。

Zeloof在PS中设计的版图

Z2芯片的制作首先通过200mm的晶圆开始,这些初始晶圆比较大,因此Zeloof首先用金刚石划片把晶圆切成了半英寸正方形的小块。

晶圆切片

Zeloof首先要做芯片的掺杂层,它能形成mosfet的源极和漏极,他把切好的晶圆放到自旋机上,然后在上面沉积光刻胶,只需要大概100微升光刻胶就能覆盖整个晶圆,然后以4000rpm的速度旋转30秒将多余的光刻胶旋出。

旋匀晶圆上的光刻胶

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。

溶剂干燥后留下的固态薄膜

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。

晶圆在无掩模光刻机中曝光

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。

蚀刻晶圆上的光刻胶

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。

晶圆切面示意图

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。

晶圆在高温炉中烘烤

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。

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。

刻蚀二氧化硅后的晶圆切面效果图

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。

将晶圆放入真空室

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。

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。

在探针台上用钨针检测晶体管质量

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。

惠普4145A精密半导体参数分析仪,ebay上二手价大约1.4万人民币

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。

I-V曲线示意图

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。

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