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美国22岁小伙,竟在车库自建光刻机造芯片?他是如何做到的?

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52赫兹实验室

2022-01-26 14:48

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这位22岁小伙有点牛,居然在自家车库造起了芯片,而且还用到了自制光刻机?那他哪来的各种技术和原材料呢?不得不说,这家伙简直是个天才。

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说起芯片制造过程,那是相当复杂!

从沙子到硅晶圆,再到提纯、光刻制作等等步骤,每一步都是极其精密的活,不允许出错,一步错后面就都失败了。

尤其是光刻阶段里面使用的设备,比如最新的EUV光刻机,价值1.2亿美金,更是人类科技的巅峰,全球目前只有荷兰阿斯麦公司有,别的公司想要,不好意思!得排队购买,而且对我们中国还禁售着呢!

造个晶圆厂呢,现在动不动就是几百亿美金起步,这么多钱也只有大公司能拿得出来,所以芯片制造也就几大头部玩家玩得起。

但是在2021年8月,美国这位名叫山姆·齐鲁夫(Sam Zeloof )的22岁小伙,在车库里面利用非常简易的设备,却成功设计并制造出了一枚相当于20世纪60~70年代水平的硅芯片。

那么问题来了:

芯片不是很高精尖的?他是怎么做到的呢?

制造过程

芯片的原理,老实说不是很难。

简单来说,它的内部就是由无数个单向进出的开关组合在一起,从而形成了一个可以处理数学运算的极度微缩的超大型电路,而这么多电路又巧妙地微缩在小小的一块砂子做成的硅片上。

就比如华为麒麟990芯片吧,它使用的是台积电7nm工艺制造,内部有103亿颗晶体管,如果放大芯片内部结构,就会发现里面错综复杂,真的可以称得上是一沙一世界。

芯片最难的还是制造工艺,如何在纳米级别上面集成更多的晶体管,从而能完成更多的功能,这就需要许多复杂的设备才可以。

小公司都很难做到,更别提一般人了。

但如果不是那么高精密的芯片呢,就不一定了。

美国这位小伙首先花 45 美元买了一块正儿八经的成品硅晶片,然后用金刚石划线器将晶圆切成半英寸见方的小块,就正式开启了芯片制造过程了。

首先就是涂胶,在那么小的晶圆上需要均匀涂抹光刻胶。

他利用回收材料自制了旋涂机,为晶圆涂上 100 微升的光刻胶就行,旋涂机就以每分钟 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。

再把晶圆放在大约 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。

接着就是光刻曝光,这就需要光刻机了。

光刻的原理也简单,就跟照相机差不多,把提前设计好的电路图,通过凸透镜打在涂抹了光刻胶的硅晶圆上,说白了也就是把电路印在上面。

而想要得到高精密的程度,工艺调剂还是极其苛刻,瑕疵是用皮米来计算的。

什么是皮米?

1皮米相当于1米的一万亿分之一。如果把凸透镜放大到德国那么大的面积,那么整个镜面的误差不能超过1厘米。

尤其是EUV光刻技术,那就是更厉害了,全世界也就荷兰阿斯麦能干!

但是这小伙竟然自制出来一个小型的无掩膜光刻机,虽然相比阿斯麦那个肯定是差远了,但是处理不是很成熟的工艺,还是妥妥的够了。

说来也简单,他在亚马逊网站上买了一个会议室投影仪,改装后安装在显微镜上,一台光刻机就诞生了。

再用自制光刻机将光束投射到设计好的电路图上就OK了,有意思的是他的电路图,这是一个由12个电路组成的栅格,每个电路有100个晶体管,共计1200个。

光刻完成后,接着把晶圆放在氧化钾溶液中放置大约一分钟,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。

这一步传统方式是需要蚀刻机,但对于他来说也不难!

他就用酸(各种溶剂)腐蚀每块芯片,再将它扔进在1000摄氏度左右的炉子里烘烤,以调整电导率,然后送入真空室做进一步处理。

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。

等这些都完成之后,他将整块晶圆放入温暖的磷酸溶液中,蚀刻掉残留的铝,这表示芯片已经制造成功了。

等芯片完成后,要检测一下是否可以使用。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,尤其是这些晶体管非常小,必须使用电子显微镜才行,至于价格嘛很贵,几百万一台~

但是他只花了1000美元,从网上购买了一台90年代售价高达25万美元的电子显微镜,并完成了修复,同时又买回来一台上世纪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。

就是在这样成本极低的实验环境与软硬件处理下,最终在分析仪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,这证明了他的芯片成功了。

最后

对于这位牛人,我只想说,厉害了我的哥!

虽然他制造的芯片只有1200个晶体管,但是已经逼近上个世纪70年代,英特尔第一代芯片 4004 的 2200 个晶体管数量。

值得一提的是,这不是小伙第一次制造芯片,在2018年他就开始制造芯片了,当年完成了6个晶体管的芯片,可以用于制程与设备测试。加上这次已经是第二块芯片,未来他还要继续开发第三块,将进一步探索制造完整的微处理器。

现在的芯片制造技术动不动几百亿美元的投入,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。

而根据网友对这位小伙公开视频和资料中的仪器价值测算,总成本应该不会超2万美元。

当然了,他芯片制造所在的车库,里面有各种各样的仪器,价格也不便宜。

而且他的家庭条件也不错,父亲是一名经营赛车零部件车间的工业设计师,他的哥哥则是一名机器人工程师,说是富二代也可以。

此外我们也不能忽视,为车库实验室做安全检查的那位工龄超过40年的半导体资深工程师,也是他父亲请来的。

呐~阻碍中国科技发展的原因找到了,大部分人没有这样的车库!

小伙是个人才呀,明天可以直接去华为上班!

开个玩笑哈,外部条件优良对一个人的成功是一方面,但是我觉得吧,还是自己骨子里要有一种拼搏不服输的精神,敢于打破传统,从而尝试各种各样的折腾创新,有失败也会有成功,这都很正常。

而反观我们中国的小伙们,都在直播卖货呢,这就是巨大的差距啊~

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